高速炉用燃料要素、高速炉および高速炉施設の建設方法
【課題】受動的な安全性を向上させる。冷却性能を向上させる。
【解決手段】燃料要素容器９内に金属燃料２を密封した燃料要素３を水又は水と水蒸気との２相流３３中に設置すると共に、燃料要素３内に炉心冷却水例えば水蒸気又は水蒸気と水との２相流３４を循環させる冷却管１０を設け、少なくとも運転時には金属燃料２は冷却管１０の外周面及び燃料要素容器９の内側面に接触しており、炉心冷却水３４と水又は水と水蒸気３３との２相流により燃料要素３の内と外から冷却を行うようにしている。
【解決手段】燃料要素容器９内に金属燃料２を密封した燃料要素３を水又は水と水蒸気との２相流３３中に設置すると共に、燃料要素３内に炉心冷却水例えば水蒸気又は水蒸気と水との２相流３４を循環させる冷却管１０を設け、少なくとも運転時には金属燃料２は冷却管１０の外周面及び燃料要素容器９の内側面に接触しており、炉心冷却水３４と水又は水と水蒸気３３との２相流により燃料要素３の内と外から冷却を行うようにしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動的安全性を有する高速炉用燃料要素に関する。また、本発明は、受動的安全性を有する高速炉と、その高速炉を備えた高速炉施設の建設方法に関する。さらに、本発明は、使用済み燃料の貯蔵方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速炉にはより高いレベルの安全性が求められており、動的な機器を用いることなく外乱による影響を収束させる受動的な安全性が研究されている。例えば、特開平９−７２９８０号公報に開示されている高速炉では、冷却材流量喪失等の異常が発生した場合、冷却材の流出によりガス空間の体積を膨張させて炉心からの中性子ストリーミングを促し、炉内に負の反応度を挿入するようにしている。
【０００３】
また、もんじゅ等の高速炉では、ペレット状に成形した燃料を燃料被覆管に充填・密封して燃料要素とし、多数の燃料要素をラッパ管に挿入して燃料集合体を構成している。ラッパ管の下部にはエントランスノズルが設けられており、冷却材である液体ナトリウムはエントランスノズルのオリフィス孔よりラッパ管内に流入し、各燃料要素の間を流れながら除熱を行い上方に流出する。つまり、各燃料要素の外側を液体ナトリウムで冷却している。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−７２９８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高速炉や高速炉用燃料要素の安全性には原理・思想の異なる手段を多重に設けることが肝要であり、受動的な安全性についてさらなる技術開発が要請されている。
【０００６】
また、もんじゅ等の高速炉ではペレット状の燃料を使用し、燃料要素の外側を液体ナトリウムによって冷却する構成であるが、この構成が全ての高速炉や高速炉用燃料要素について最適であるとは限らず、燃料要素の外側に加えて内側も冷却した方が良い場合もある。
【０００７】
さらに、これらの高速炉を実用化する為には、高速炉施設を経済的に建設する必要があると共に、使用済み燃料の貯蔵を経済的に行なう必要もある。
【０００８】
本発明は受動的な安全性に優れた高速炉および高速炉用燃料要素を提供することを目的とする。また、本発明は冷却性能に優れた高速炉および高速炉用燃料要素を提供することを目的とする。さらに、本発明は経済性に優れた高速炉施設の建設方法を提供することを目的とする。また、本発明は経済性に優れた使用済み燃料の貯蔵方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の高速炉用燃料要素は、金属燃料と、金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触し、冷却管内の炉心冷却材と燃料要素容器外の水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されるものである。ここで、請求項２記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項３記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。以下、例えば、炉心冷却材が水蒸気又は水蒸気と水との２相流である場合を例に説明する。ただし、炉心冷却材が不活性ガス等である場合も同様である。
【００１０】
したがって、金属燃料で生じた熱は冷却管と燃料要素容器とに伝えられ、冷却管内の炉心冷却材即ち水蒸気、又は水蒸気と水との２相流（以下、水蒸気／水２相流という）と、燃料要素容器の外側の水、又は水と水蒸気の２相流（以下、水／水蒸気／水２相流という）によって除去される。なお、説明を分かり易くするために、冷却管内に流す炉心冷却材即ち水蒸気又は水蒸気／水２相流を内側冷却材、燃料要素の周囲の水又は水／水蒸気２相流を外側冷却材という。
【００１１】
内側冷却材による冷却能力は外側冷却材による冷却能力よりも圧倒的に高く、炉心を構成する金属燃料は内側冷却材によって主に冷却される。燃料要素の周囲に炉心冷却材として多量の冷却水を流すのではなく、水蒸気又は水蒸気／水２相流の状態にすることで水の割合を少なくした内側冷却材を燃料要素内を循環する冷却管内に流すようにしている。このため、金属燃料に対して水（減速材）の割合が少なくなり、内側冷却材による高速中性子の減速等による減少は僅かであり、炉心において高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。一方、冷却材としての流量は確保できるので、炉心を良好に冷却することができる。
【００１２】
複数の燃料要素を並べて高速炉の炉心を構成しても良いが、小型の高速炉の場合等には燃料要素１つだけで炉心を構成しても良い。複数の燃料要素を並べる場合には、各燃料要素の間に隙間をあけて周囲の外側冷却材が循環できるようにする。外側冷却材は燃料要素を冷却することで加熱されて自然対流し、各燃料要素を外側から冷却する。つまり、本発明では、内側冷却材と外側冷却材を使用して燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。ただし、各燃料要素間に外側冷却材が流れると、それに応じて高速中性子が減速される等して減少するので、各燃料要素間の外側冷却材の流量は最大でも炉心の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて各燃料要素間の隙間の広さを決定する。一方、燃料要素１つだけで炉心を構成する場合にも、内側冷却材と外側冷却材を使用して、燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。
【００１３】
何らかの原因によって内側冷却材による高速炉用炉心の冷却が困難になったとしても、燃料要素は外側冷却材中に設置されているので、この外側冷却材によって燃料要素を冷却することができる。内側冷却材として例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を、外側冷却材として水又は水／水蒸気２相流をそれぞれ使用しているので、内側冷却材と外側冷却材とが接触したとしても液体ナトリウムと水とが接触した場合のように激しく反応することはない。
【００１４】
また、請求項４記載の高速炉は、燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、炉心冷却材と水又は水と水蒸気との２相流により燃料要素の内と外から冷却を行うものである。
【００１５】
また、請求項５記載の高速炉は、水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、燃料要素をプール内に設置するものである。このように、外側冷却材を貯めたプール内に燃料要素を設置するようにしても良い。ここで、請求項６記載の高速炉のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項７記載の高速炉のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。以下、例えば、炉心冷却材が水蒸気又は水蒸気と水との２相流である場合を例に説明する。ただし、炉心冷却材が不活性ガス等である場合も同様である。
【００１６】
したがって、炉心を構成する金属燃料は炉心冷却材としての冷却管内の内側冷却材によって主に冷却される。燃料要素の周囲に炉心冷却材として多量の冷却水を流すのではなく、水蒸気又は水蒸気／水２相流の状態にすることで水の割合を少なくした内側冷却材を燃料要素内を循環する冷却管内に流すようにしている。このため、金属燃料に対して水（減速材）の割合が少なくなり、内側冷却材による高速中性子の減速等による減少は僅かであり、炉心において高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。一方、冷却材としての流量は確保できるので、炉心を良好に冷却することができる。
【００１７】
複数の燃料要素を並べて炉心を構成しても良いが、小型の高速炉の場合等には燃料要素１つだけで炉心を構成しても良い。複数の燃料要素を並べる場合には、各燃料要素の間に隙間をあけて周囲の外側冷却材が循環できるようにする。外側冷却材は燃料要素を冷却することで加熱されて自然対流し、各燃料要素を外側から冷却する。つまり、本発明では、内側冷却材と外側冷却材を使用して燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。ただし、各燃料要素間に外側冷却材が流れると、それに応じて高速中性子が減速される等して減少するので、各燃料要素間の外側冷却材の流量は最大でも炉心の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて各燃料要素間の隙間の広さを決定する。一方、燃料要素１つだけで炉心を構成する場合にも、内側冷却材と外側冷却材を使用して、燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。
【００１８】
何らかの原因によって内側冷却材による炉心の冷却が困難になったとしても、燃料要素は外側冷却材中に設置されているので、この外側冷却材によって燃料要素を冷却することができる。内側冷却材として例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を、外側冷却材として水又は水／水蒸気２相流をそれぞれ使用しているので、内側冷却材と外側冷却材とが接触したとしても液体ナトリウムと水とが接触した場合のように激しく反応することはない。
【００１９】
また、請求項８記載の高速炉は、冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を燃料要素の下部に設置すると共に、冷却管に炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするものである。
【００２０】
したがって、炉心冷却材は水の状態で熱交換器に供給され、ここで加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流となった後、燃料要素内を循環して金属燃料を冷却する。冷却によって高温になった水蒸気又は水蒸気／水２相流は再び熱交換器に流入し、炉心冷却前の冷却水を加熱する。
【００２１】
また、請求項９記載の高速炉は、熱交換器が燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体である。したがって、反射体を利用して熱交換器を構成することができる。反射体は、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼等である。
【００２２】
また、請求項１０記載の高速炉のように、燃料要素が原子炉容器内に設置され、水又は水と水蒸気との２相流が原子炉容器内に貯められているものでも良い。このように、原子炉容器内に炉心を配置する高速炉にできる。また、請求項１１記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、炉心冷却材を冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするようにしても良い。
【００２３】
さらに、請求項１２記載の高速炉施設の建設方法は、既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設するものである。
【００２４】
例えば、軽水炉を備えるプラントでは、原子炉建屋内に原子炉格納容器を設置し、その中に原子炉容器を収容している。原子炉格納容器はもともと放射性物質の封じ込めを目的としたものであり、内部に水又は水と水蒸気との２相流を貯めることができる。この原子炉格納容器をプールとして転用することで、既存の原子炉施設を利用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設することができる。
【００２５】
また、請求項１３記載の高速炉施設の建設方法は、既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設するものである。
【００２６】
例えば、軽水炉を備えるプラントでは、原子炉建屋内に原子炉格納容器を設置し、その中に原子炉容器を収容している。原子炉容器はもともと放射性物質の封じ込めを目的としたものであり、内部に水又は水と水蒸気との２相流を貯めることができる。この原子炉容器を使用することで、既存の原子炉施設を利用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設することができる。
【００２７】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素を高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００２８】
請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素には燃料要素容器内を循環する冷却管が設けられている。この冷却管に冷却材を循環させることで、使用済み燃料を内部から冷却することができる。冷却管を通り抜けた冷却材は高温になっており、この熱を発電、熱利用施設の熱源等に利用することができる。
【００２９】
また、請求項１５記載の発明は、請求項４から１１のいずれか１つに記載された高速炉の燃料要素を当該高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００３０】
請求項４から１１のいずれか１つに記載された燃料要素には内部を循環する冷却管が設けられている。この冷却管に冷却材を循環させることで、使用済み燃料を内部から冷却することができる。冷却管を通り抜けた冷却材は高温になっており、この熱を発電、熱利用施設の熱源等に利用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１記載の高速炉用燃料要素では、金属燃料と、金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触し、冷却管内の炉心冷却材と燃料要素容器外の水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されるようにしているので、内側冷却材としての炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を燃料要素内で良好に循環させることができ、金属燃料を内から良好に冷却することができる。また、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、内側冷却材と外側冷却材とによって燃料要素の内と外から冷却を行うようにしているので、冷却性能を向上させることができる。また、たとえ燃料要素の内からの冷却が不能になったとしても、燃料要素を外から冷却することができるので、受動的な安全性をより一層向上させることができる。また、たとえ内側冷却材である炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流と外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流とが接触しても激しく反応することはなく安全である。また、液体金属に比べて水や水蒸気は取り扱いが容易であり、冷却材として液体金属を使用する高速炉に比べてその構造を簡単なものにすることができる。さらに、冷却材として水や水蒸気を使用することは軽水炉等において既に長年の運用実績があり、技術的な蓄積がある。これを高速炉用燃料要素に適用することで、より一層安全性が高い高速炉用燃料要素を実現することができる。
【００３２】
ここで、請求項２記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項３記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。
【００３３】
また、請求項４記載の高速炉では、燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、炉心冷却材と水又は水と水蒸気との２相流により燃料要素の内と外から冷却を行うので、内側冷却材としての炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を燃料要素内で良好に循環させることができ、金属燃料を内から良好に冷却することができる。また、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、内側冷却材と外側冷却材とによって燃料要素の内と外から冷却を行うようにしているので、冷却性能を向上させることができる。また、たとえ燃料要素の内からの冷却が不能になったとしても、燃料要素を外から冷却することができるので、受動的な安全性をより一層向上させることができる。また、たとえ内側冷却材である炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流と外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流とが接触しても激しく反応することはなく安全である。また、液体金属に比べて水や水蒸気は取り扱いが容易であり、冷却材として液体金属を使用する高速炉に比べてその構造を簡単なものにすることができる。さらに、冷却材として水や水蒸気を使用することは軽水炉等において既に長年の運用実績があり、技術的な蓄積がある。これを高速炉に適用することで、より一層安全性が高い高速炉を実現することができる。
【００３４】
また、請求項５記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、燃料要素をプール内に設置するようにしても良い。
【００３５】
ここで、請求項６記載の高速炉のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項７記載の高速炉のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。
【００３６】
また、請求項８記載の高速炉では、冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を燃料要素の下部に設置すると共に、冷却管に炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするので、炉心の熱を利用して炉心冷却材である水蒸気又は水蒸気／水２相流を発生させることができる。このため、炉心で発生させた熱をより有効に利用することができると共に、炉心冷却材としての流量の確保が容易である。
【００３７】
また、請求項９記載の高速炉では、熱交換器が燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体であるので、反射体を利用して熱交換器を構成することができる。このため、別部材としての熱交換器が不要になり、製造コストを安くすることができる。また、高速炉を小型化することができる。
【００３８】
また、請求項１０記載の高速炉のように、燃料要素が原子炉容器内に設置され、水又は水と水蒸気との２相流が原子炉容器内に貯められているものでも良い。このように、原子炉容器内に炉心を配置する高速炉を構成することができる。また、請求項１１記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、炉心冷却材を冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするようにしても良い。
【００３９】
さらに、請求項１２記載の高速炉施設の建設方法では、既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設するので、既存の原子炉施設を利用して、高速炉施設を建設することができる。このため、高速炉施設の建設に要する費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設の一部を有効活用できるので、その分だけ廃棄物を減らすことができて環境面でも優れている。さらに、老朽化した原子炉施設を再利用することができるので、原子力関係の施設を有効利用することができ、例えば原子炉の廃止措置に伴う放射線管理の負担等を軽減することができる。また、上述の効果を有する高速炉を備える高速炉施設を建設することができる。
【００４０】
また、請求項１３記載の高速炉施設の建設方法では、既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設するので、既存の原子炉施設を利用して、高速炉施設を建設することができる。このため、高速炉施設の建設に要する費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設の一部を有効活用できるので、その分だけ廃棄物を減らすことができて環境面でも優れている。さらに、老朽化した原子炉施設を再利用することができるので、原子力関係の施設を有効利用することができ、例えば原子炉の廃止措置に伴う放射線管理の負担等を軽減することができる。また、上述の効果を有する高速炉を備える高速炉施設を建設することができる。
【００４１】
また、請求項１４記載の使用済み燃料の貯蔵方法では、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するので、燃料要素容器内を循環する冷却管をそのまま利用して貯蔵中の使用済み燃料を冷却することができる。このため、低コストで使用済み燃料の崩壊熱を回収し熱エネルギーとして利用することができる。また、使用済み燃料を内部から冷却することができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。
【００４２】
また、請求項１５記載の使用済み燃料の貯蔵方法では、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するので、燃料要素内を循環する冷却管をそのまま利用して貯蔵中の使用済み燃料を冷却することができる。このため、低コストで使用済み燃料の崩壊熱を回収し熱エネルギーとして利用することができる。また、使用済み燃料を内部から冷却することができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００４４】
図１に、本発明を適用した高速炉の実施形態の一例を示す。高速炉１は、金属燃料２を密封した燃料要素３をプール６内に設置すると共に、燃料要素３内に水蒸気又は水蒸気と水との２相流（水蒸気／水２相流）３４を循環させて炉心２７を冷却するものである。プール６内には多数の燃料要素３が若干の隙間７をあけて並べられており、炉心２７が構成されている。燃料要素３はプール６内に直接設置されている。
【００４５】
なお、図１では２つの燃料要素３を記載しているが、実際には多数の燃料要素３が設けられている。各燃料要素３間の隙間７を流れるプール６内の水又は水と水蒸気の２相流（水／水蒸気／水２相流）３３は高速中性子を減速させるので、高速炉１では負の反応度を与えることになる。このため、隙間７を流れる水の流量は最大でも炉心２７の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて隙間７の広さを決定する。なお、本実施形態では、プール６内に貯める水又は水／水蒸気２相流３３として、水３３を使用する。ただし、水３３に代えて、水と水蒸気とが混在した状態の水／水蒸気２相流３３を使用しても良い。
【００４６】
本実施形態では、炉心冷却材３４として水（冷却材）を使用し、これを炉心２７では水蒸気の状態又は水蒸気／水２相流の状態で使用する。炉心冷却材３４としての水蒸気によって減速される高速中性子の数は少ないので、水蒸気３４で炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。また、炉心冷却材３４としての水蒸気／水２相流は、水蒸気と高ボイド率の水とが混在した状態のものであり、減速材となる水の存在割合が小さく減速される高速中性子の数は少ないので、水蒸気／水２相流３４で炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。即ち、水蒸気／水２相流３４としては、高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる程度に高ボイド率の水と水蒸気とが混在したものを使用する。
【００４７】
燃料要素３の横断面を図２に示す。燃料要素３は、内部が密閉された燃料要素容器９と、燃料要素３内を循環し水蒸気又は水蒸気／水２相流３４が流れる冷却管１０とを備えると共に、少なくとも運転時には金属燃料２は冷却管１０の外周面及び燃料要素容器９の内側面に接触しており、燃料要素３の内と外から冷却を行うようにしている。つまり、高速炉１が運転されて金属燃料２が高温になると金属燃料２は膨張するが、少なくとも膨張したときには金属燃料２は燃料要素容器９と冷却管１０に十分に接触し、金属燃料２で生じた熱を燃料要素容器９と冷却管１０に良好に伝達することができる。燃料要素容器９内の金属燃料２の下には、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼製の反射体２９が設けられている。ただし、反射体２９の材料はＳＵＳ以外のステンレス鋼でも良く、またステンレス鋼以外の材料でも良い。
【００４８】
反射体２９は熱交換器としても機能する。つまり、燃料要素３の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体２９を熱交換器としても使用している。これにより、燃料要素３の下部に熱交換器が設置され、燃料要素３に炉心冷却材として冷却水３４を供給し、後述するように炉心２７冷却後の水蒸気又は水蒸気／水２相流３４によって炉心２７冷却前の液体状態の冷却水３４を加熱して水蒸気又は水蒸気／水２相流３４にする。
【００４９】
燃料要素容器９は、例えばステンレス鋼製のボックスである。また、冷却管１０は、例えばステンレス鋼製の管である。ただし、これらの材料はステンレス鋼に限るものではなく、ステンレス鋼以外の材料、例えばジルコニウム合金やその他の材料を採用しても良い。冷却管１０は、炉心冷却材３４を循環させる流入管３０と流出管３１のいずれか一方より分岐して燃料要素３内に下から進入している。流入管３０より分岐した冷却管（以下、流入側冷却管という）１０と流出管３１より分岐した冷却管（以下、流出側冷却管という）１０とが１本ずつペアとなり、ペア毎に上端を連通させている。つまり、流入側冷却管１０と流出側冷却管１０とでＵ字管を構成している。各冷却管１０の下端、具体的には流入側冷却管１０の下端（上流端）と流出側冷却管１０の下端（下流端）は反射体２９を貫通している。冷却管１０は反射体２９に対して十分に接触しており、熱伝達が行われる。このように、金属燃料２と、金属燃料２を収容し、水又は水／水蒸気２相流３３中に設置された燃料要素容器９と、燃料要素容器９内を循環し、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４が流れる冷却管１０とを備える高速炉用燃料要素３が構成される。
【００５０】
金属燃料２は、例えばＵ−Ｚｒ等の金属燃料である。ただし、Ｕ−Ｚｒに限るものではなく、その他のウラン合金、プルトニウム合金等でも良く、金属ウラン、金属プルトニウム等でも良い。金属燃料２は、例えば粒子形状を成しており、燃料要素容器９内に充填されている。燃料要素容器９内には金属燃料２が例えば充填率（スミヤー密度）５０〜８０％程度で充填されており、金属燃料２の隙間には例えばＨｅ等の不活性ガスが充填されている。また、金属燃料２の上方空間は、例えばＨｅ等の不活性ガス溜１１となっている。粒子状の金属燃料２を充填しているので、燃料要素容器９内で金属燃料２が動くことができ、運転時の体積膨張を逃がすことができる。また、金属燃料２の核分裂によって発生したクリプトンやキセノン等のガスは不活性ガス溜１１に溜められる。金属燃料２で発生した熱は接触によって燃料要素容器９や冷却管１０に直接伝達されるが、隙間に充填された不活性ガスによっても伝達される。
【００５１】
燃料要素３は、例えば１．６ｍｍの間隔（ただし燃料要素３の間隔。ピッチ間隔では１００ｍｍ）をあけて並べられている。また、燃料要素３の大きさは、横断面のサイズが例えば０．１ｍ×０．１ｍ、高さが例えば２ｍである。１つの燃料要素３には、例えば６４本（図２では２４本のみ図示）の冷却管１０が設けられている。冷却管１０の内径は、例えば４ｍｍである。冷却管１０は、例えば１３ｍｍの間隔をあけて並べられている。ただし、これらの数値は一例であり、これらの数値に限るものではない。必要な冷却能力や出力等に応じて適宜設計する。
【００５２】
なお、実際には、例えば図３に示すように、炉心２７の中央２７ａに上述の金属燃料２を充填した燃料要素３を配置し、その周囲２７ｂにブランケット燃料を充填した燃料要素３を配置し、高速中性子の漏れ防止とプルトニウムの増殖が図られている。金属燃料２は、例えば濃縮ウランとして１０％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、ブランケット燃料は、例えば０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。
【００５３】
プール６内はプール蓋２０によって密閉されている。プール６内の水３３の水面３３ａの上には、例えばＨｅ、窒素、アルゴン等の不活性ガスが充填された不活性ガス溜１３となっている。水３３の温度変化に伴う体積変動を、不活性ガス溜１３の体積を変化させることで吸収することができる。
【００５４】
プール６には、運転停止時にたとえ炉心冷却材３４による冷却が不能になったとしても、炉心２７の崩壊熱を除去し炉心２７の健全性を維持することができる程度に十分な量の水３３が蓄えられている。プール６内の水３３の温度は、例えば常温である。なお、プール蓋２０は放射性物質を閉じ込める機能も有している。
【００５５】
なお、プール６内の水３３を冷却するプール冷却系を設け、高速炉１の通常運転時における水３３の温度上昇や、運転停止時の水３３の温度上昇を防止するようにしても良い。また、プール冷却系に代えて、二次冷却系との間で熱交換を行う熱交換器を設けても良い。
【００５６】
プール蓋２０の上面には、制御棒や安全棒を駆動する駆動機構１８が設置されている。なお、図１では制御棒と安全棒をまとめて棒１９で示しているが、実際には複数の制御棒と複数の安全棒が設置されており、駆動機構１８によって位置制御される。制御棒や安全棒は、例えば冷却管１０と並べらて設置された管３２内に挿入される。即ち、制御棒や安全棒は燃料要素３内に挿入される。ただし、各燃料要素３間の隙間７に制御棒や案内棒を挿入するようにしても良い。
【００５７】
次に、高速炉１の作動について説明する。
【００５８】
流入管３０を通じて液体状の炉心冷却材３４即ち冷却水が供給され、熱交換器として機能する反射体２９によって加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流（内側冷却材）３４となる。ここで、供給される冷却水は例えば飽和温度に近い温度の冷却水であり、反射体２９で加熱されることでただちに水蒸気又は水蒸気／水２相流３４になり、この状態で炉心２７へと進入する。つまり、炉心２７の冷却は水蒸気３４か、又は水蒸気／水２相流３４によって行われるので、金属燃料２に対して減速材となる水の割合を少なくできて炉心冷却材３４による高速中性子の減少は僅かであり、高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。
【００５９】
反射体２９で加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流３４となった炉心冷却材３４は運転中の炉心２７の温度よりも十分低い。したがって、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を使用して炉心２７を冷却することができる。水蒸気又は水蒸気／水２相流３４は流入側冷却管１０→流出側冷却管１０へと流れながら炉心２７を冷却する。そして、炉心２７を冷却して高温になった水蒸気３４、又は炉心２７を冷却して高温になり更に高ボイド率となった２相流３４は反射体２９を通過しながらこれを加熱した後、流出管３１から流出する。この後、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４は、例えば図示しない気水分離器で気水分離され、分離した水蒸気のみを図示しない蒸気乾燥器で乾燥させた後、図示しない発電機の蒸気タービンに供給してこれを駆動し発電を行う。その後、水蒸気は図示しない復水器によって液体の状態に戻され、図示しないポンプによって吐出されて流入管３０へと循環される。このように、高速炉１の通常運転時には、炉心２７で発生した熱は炉心冷却材３４を循環させる冷却系（以下、水／蒸気冷却系という）によって高速炉１の外へと伝えられ、炉心２７の健全性が保たれる。
【００６０】
また、燃料要素３はプール６内に設置されているため、プール６内の水（外側冷却材）３３によっても冷却される。プール６内の水３３は各燃料要素３間の隙間７を加熱されながら上昇し、自然対流によってプール６内を循環する。尚、プール６内の水３３は隙間７では加熱されるため水蒸気／水２相流になっている場合がある。但し、燃料要素３間を抜けると周囲の水に冷却され水に戻る。なお、水３３の温度が大きく上昇することが予測される場合等には上述したように図示しないプール冷却系や熱交換器を設けて水３３の温度上昇を抑えるようにしても良い。
【００６１】
このように、高速炉１では炉心冷却材３４とプール６内の水３３を使用して燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。
【００６２】
ただし、炉心２７の冷却能力は、プール６内の水３３を利用した冷却系よりも炉心冷却材３４を利用した水／蒸気冷却系の方が圧倒的に高い。このため、プール６内の水温は殆ど変化しない。また、炉心２７で発生したエネルギーを例えば発電に有効利用することができる。
【００６３】
高速炉１では核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、熱中性子を利用する場合に比べてプルトニウムの増殖率を大きくすることができる。このため、ウラン資源を有効利用することができると共に、炉心２７を長寿命化することができる。
【００６４】
また、高速炉１では、炉心冷却材３４として水／蒸気を使用しているので、炉心冷却材として液体金属を使用する場合に比べて、その取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。
【００６５】
水／蒸気冷却系に不具合が生じ高速炉１の運転が停止されると、炉心２７の崩壊熱は金属燃料２から燃料要素容器９に伝わり、プール６内の水３３によって除去される。各燃料要素３の間には僅かではあるが隙間７が存在しているので、プール６内の水３３は隙間７を自然対流しながら燃料要素３を冷却する。プール６内には炉心２７の崩壊熱を除去するのに十分な量の水が蓄えられているので、水を自然対流させることで炉心２７の崩壊熱を除去し健全性を維持することができる。このため、受動的な安全性に優れている。
【００６６】
この高速炉１では炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を使用しているので、たとえ炉心冷却材３４がプール６内の水３３に接触しても液体ナトリウムのように激しく反応することがなく、安全性に優れている。また、プール６内に燃料要素３を直接設置することが可能になり、構造を簡単にすることができる。
【００６７】
本発明の高速炉１を備える施設２１を新規に建設しても良いが、既存の原子炉施設２２を改造しても良い。即ち、既存の原子炉施設２２の原子炉格納容器２３内から当該原子炉施設２２の設備を撤去した後、原子炉格納容器２３内に燃料要素３を設置すると共に水３３を貯め、原子炉格納容器２３をプール６に転用して高速炉施設２１を建設することもできる。
【００６８】
図４に、高速炉施設２１の建設方法の一例を示す。図４（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。ＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４内に原子炉格納容器２３を設置し、その中に原子炉容器２５を設置している。原子炉格納容器２３内から原子炉容器２５やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図４（Ｂ））。ＢＷＲプラント２２では、燃料交換の際に原子炉格納容器２３内に水を溜め原子炉容器２５を水没させるため、原子炉格納容器２３のプール６への転用は可能である。
【００６９】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約４ｍになるので、原子炉格納容器２３内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が１割増しの約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。なお、原子炉格納容器２３の近傍には使用済燃料を一時的に保管するプール２８があり、このプール２８はそのまま利用できる。
【００７０】
このように既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【００７１】
次に、本発明の使用済み燃料の貯蔵方法について説明する。高速炉１で使用した燃料要素３は使用済み燃料となるが、燃料要素３内には冷却管１０が設けられているので、貯蔵時において冷却管１０を利用して燃料要素３の崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして有効利用するものである。即ち、本発明の使用済み燃料の貯蔵方法は、冷却管１０に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００７２】
この使用済み燃料の貯蔵方法の一例を図１１に示す。図１１の例では、ガスタービン発電方式によって発電を行なっている。使用済み燃料である燃料要素３は、例えばコンクリートで作られた貯蔵建屋３９内に並べられており、貯蔵建屋３９によって密封されている。各燃料要素３の流入側冷却管１０を供給管３７に接続し、各燃料要素３の流出側冷却管１０を排出管３８に接続している。供給管３７と排出管３８は例えば発電用のガスタービン４０に接続されている。貯蔵時に冷却管１０内に循環させる冷却材は、例えば気体冷却材でも液体冷却材でも良い。気体冷却材としては例えばヘリウムガス、炭酸ガス、窒素ガス等の使用が、液体冷却材としては例えば水等の使用が可能である。
【００７３】
図示しないポンプ等によって冷却材を供給管３７→各燃料要素３→排出管３８→ガスタービン４０→供給管３７へと循環させることで、各燃料要素３を冷却すると共に、各燃料要素３の崩壊熱を回収してガスタービン４０で発電機４１を駆動させて発電を行うことができる。即ち、使用済み燃料（燃料要素３）の崩壊熱を熱エネルギーとして有効利用することができる。なお、燃料要素３の外側には例えば冷却空気等が循環しており、燃料要素３の外側からも同時に冷却が行なわれる。ただし、燃料要素３の外側からの冷却を省略しても良い。
【００７４】
本発明では、冷却管１０に冷却材を循環させて燃料要素３の内側から崩壊熱を除去するので、効率よく崩壊熱を除去することができる。即ち、従来の使用済み燃料の貯蔵方法では、例えば特開２０００−２７５３９５号公報に示す技術のように、使用済み燃料の外側からしか冷却を行うことができなかった。本願発明では、燃料要素３の外側からの冷却に加えて、内側からの冷却も行うことができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。また、燃料要素３の内側から崩壊熱を除去することができるので、隣り合う燃料要素３同士の間隔を狭くすることができ、燃料要素３を密に並べて貯蔵することができる。
【００７５】
さらに、燃料要素３に予め設けられている冷却管１０をそのまま利用することができるので、貯蔵時にわざわざ冷却管１０を後付けする必要がなく、低コストで崩壊熱を熱エネルギーとして回収することができる。低コストで崩壊熱の回収が可能になるので、その実現はより現実的である。また、低コストで崩壊熱の有効利用が可能になるので、例えば使用済み燃料の貯蔵、その貯蔵施設による発電等を収益事業として実施することができる。
【００７６】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００７７】
例えば、上述の高速炉１では、粒子形状の金属燃料２を燃料要素容器９に充填していたが、例えば図５に示すように、粒子形状の金属燃料２の間に変形可能な金属製チューブ２６を挿入し、金属燃料２の温度変化に伴う膨張・収縮に応じて金属製チューブ２６を変形させるようにしても良い。金属製チューブ２６の上部は不活性ガス溜１１に開放されている。また、金属製チューブ２６の横断面は、例えば楕円形を成している。
【００７８】
また、粒子形状の金属燃料２を充填することに代えて、金属製チューブ２６を設置した状態で、例えば溶融状態の金属燃料２を燃料要素容器９内に流し込んで冷却し固化することも考えられる。
【００７９】
また、上述の説明では、反射体２９を熱交換器として利用していたが、反射体２９とは別に熱交換器を設けても良い。
【００８０】
また、上述の説明では、水／蒸気冷却系によって図示しない蒸気タービンを駆動するようにしていたが、例えば水／蒸気冷却系と蒸気タービンとの間に二次冷却系や三次冷却系等を設けても良い。
【００８１】
また、上述の説明では、炉心冷却材３４として液体状の冷却水を炉心２７に供給し、これを炉心２７の熱で水蒸気又は水蒸気／水２相流３４にしていたが、炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を炉心２７に供給するようにしても良い。
【００８２】
また、上述の説明では、燃料要素３をプール６内に設置していたが、水又は水／水蒸気２相流３３中、即ち外側冷却材３３中であれば必ずしもプール６内に設置しなくても良い。例えば図６に示すように、原子炉容器２５内に燃料要素３を設置すると共に、原子炉容器２５内に水又は水／水蒸気２相流３３を貯めるようにしても良い。なお、図６の高速炉１では図１の高速炉１と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【００８３】
原子炉容器２５内には、運転停止時にたとえ外部からの冷却材の供給が不能になったとしても、炉心２７の崩壊熱を除去し炉心２７の健全性を維持することができる程度に十分な量の水又は水／水蒸気２相流３３が蓄えられている。原子炉容器２５内には円筒状のシュラウド８が設けられており、このシュラウド８内に燃料要素３は設置されている。本実施形態では、燃料要素３の冷却管１０は燃料要素容器９を上下に貫通している。図示しない制御棒や安全棒は、例えば炉心の下から挿入される。ただし、炉心の上から挿入する構成としても良い。
【００８４】
外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流３３は流入管３０から原子炉容器２５内に供給され、原子炉容器２５内の底部から燃料要素３の冷却管１０内に流入し、炉心２７の熱で水蒸気又は水蒸気／水２相流３４（内側冷却材）となって上昇する。また、原子炉容器２５の底部の水又は水／水蒸気２相流３３の一部はそのまま外側冷却材として燃料要素３の間の隙間７に流入し、ここで加熱されて上昇する。そして、水面３３ａの上に到達した水蒸気は流出管３１から流出し、例えば発電等に使用される。また、燃料要素３の内側又は外側を通り抜けた流れの液相部分はシュラウド８を越えて外側冷却材となり、シュラウド８の外側を下降する。このようにして炉心冷却材の流れが形成され、炉心２７が冷却される。
【００８５】
なお、原子炉容器２５内において冷却材を自然対流によって循環させても良いが、図示しないポンプ等を設けて強制的に循環させるようにしても良い。
【００８６】
図６の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様に、炉心２７の冷却を主に行う内側冷却材３４は水蒸気又は水蒸気／水２相流であり、また、炉心２７における核分裂連鎖反応を考慮して外側冷却材が流れる隙間７の広さを決定しているので、炉心２７において高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【００８７】
また、図６の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様の効果を得ることができる。つまり、燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。また、燃料要素３の冷却のうち、内と外のいずれか一方が不能になったとしても、もう一方で冷却を行うことができるので、受動的な安全性に優れている。また、核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、プルトニウムの増殖率を大きくすることができ、ウラン資源を有効利用できると共に、炉心２７を長寿命化することができる。また、冷却材として水／蒸気を使用しているので、液体金属を使用する場合に比べて取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。また、燃料要素３を水又は水／水蒸気３３中に設置しているので、外部からの冷却水の供給が不能になったとしても、原子炉容器２５内の水又は水／水蒸気３３によって炉心２７の崩壊熱を除去することができる。このため、受動的な安全性に優れている。また、冷却材に液体ナトリウムを使用していないので、安全性に優れている。
【００８８】
また、上述の説明では、燃料要素３をプール６又は原子炉容器２５内に設けることで水又は水／水蒸気２相流３３中に設置するようにしていたが、プール６や原子炉容器２５以外の容器類類内に設けることで水又は水／水蒸気２相流３３に設置するようにしても良い。
【００８９】
さらに、上述の説明では、既存の原子炉設備２２の原子炉格納容器２３を利用して高速炉施設２１を建設していたが、原子炉格納容器２３以外の設備を利用しても良い。例えば、図７に、高速炉施設２１の建設方法の他の実施形態を示す。図７（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。ＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４内に原子炉格納容器２３を設置し、その中に原子炉容器２５を設置している。原子炉容器２５内から炉心やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水又は水／水蒸気２相流３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図７（Ｂ））。
【００９０】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約４ｍになるので、原子炉容器２５内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が１割増しの約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。なお、原子炉格納容器２３の近傍には使用済燃料を一時的に保管するプール２８があり、このプール２８はそのまま利用できる。
【００９１】
図７の例でも、図４の例と同様に、既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【００９２】
さらに、上述の説明では、既存の原子炉施設２２としてＢＷＲプラントを例に挙げ、ＢＷＲプラントを高速炉プラント２１に改造していたが、ＢＷＲプラント以外の原子炉施設、例えばＰＷＲプラント、ガス炉プラント等を高速炉プラント２１に改造しても良いことは勿論である。
【００９３】
また、上述の説明では、燃料要素３内の冷却管１０に循環させる炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用していたが、水蒸気又は水蒸気／水２相流に限るものではなく、例えば不活性ガス等を使用しても良い。ここで、不活性ガスとしては、例えばヘリウムガスの使用が適している。炉心冷却材３４として不活性ガスを使用することで、水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用する場合に比べて、炉心２７の熱を除去する能力が向上し、高速炉１の出力密度を大きくすることができ、炉心２７を小さくすることができる。特に、ヘリウムガスは炉心の熱を除去する能力が大きいので、出力密度の大きな高速炉１の実現に適している。また、炉心冷却材３４として、例えば炭酸ガス、窒素ガス等を使用しても良く、この場合にも炉心２７の熱を除去する能力が向上し、高速炉１の出力密度を大きくすることができ、炉心２７を小さくすることができる。
【００９４】
また、炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用した場合と同様に、不活性ガスによって減速される高速中性子の数は少ないので、不活性ガスで炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【００９５】
また、燃料要素３の上に崩壊熱冷却塔を設けても良い。崩壊熱冷却塔は、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼製のブロックで、燃料要素容器９の上に設けられ、プール６内の水３３に接触している。崩壊熱冷却塔内に冷却管１０内を流れる炉心冷却材３４を循環させることで、炉心冷却材３４の熱をプール６内の水３３に逃がす能力を向上させることができる。
【００９６】
図１２に、炉心冷却材３４として例えばヘリウムガスを使用すると共に、燃料要素３の上に崩壊熱冷却塔３６を設けた高速炉１を示す。なお、図１２の高速炉１では図１の高速炉１と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【００９７】
崩壊熱冷却塔３６内には例えばＵ字状の孔３６ａが設けられており、このＵ字状の孔３６ａの入口側には流入側冷却管１０が、出口側には流出側冷却管１０がそれぞれ接続され、全体としてＵ字状の循環路が形成されている。炉心冷却材３４としてのヘリウムガスは、流入管３０→流入側冷却管１０→Ｕ字状の孔３６ａ→流出側冷却管１０→流出管３１へと循環し、炉心２７を冷却する。
【００９８】
この高速炉１では崩壊熱冷却塔３６を設けているので、図１の高速炉１に比べて、より多くの熱をプール６内の水３３（外側冷却材）に逃がすことができ、外側冷却材による冷却能力を向上させることができる。即ち、燃料要素３で発生した崩壊熱の大部分は燃料要素３の表面からプール６内の水３３に伝えられ、また、燃料要素３で発生した崩壊熱の一部は熱伝導および炉心冷却材３４としてのヘリウムガスを経由して崩壊熱冷却塔３６および反射体２９に伝えられ、プール６内の水３３に伝えられる。
【００９９】
また、燃料要素３の下部には反射体２９が設けられており、燃料要素３で発生する中性子を遮蔽することで、流入管３０や流出管３１等の放射化を防止している。これにより、放射性廃棄物の発生量を減らすことができる。
【０１００】
なお、図１の高速炉１では、反射体２９を、冷却水３４を加熱して水蒸気又は水蒸気／水２相流３４に変換する熱交換器として積極的に機能させていたが、図１２の高速炉１では、ヘリウムガスを加熱する熱交換器として積極的に機能させることは重要ではない。図１２の高速炉１では、反射体２９の機能として、中性子の漏れを防ぐ反射体としての機能と、特に何らかの原因によって内側冷却材の循環が停止した場合等に炉心２７の熱を水３３に逃がす機能が重要である。
【０１０１】
図１２の高速炉１では、炉心２７の冷却を主に行う内側冷却材３４はヘリウムガスであり、また、炉心２７における核分裂連鎖反応を考慮して外側冷却材が流れる隙間７の広さを決定するので、炉心２７において高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【０１０２】
また、図１２の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様の効果を得ることができる。つまり、燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。また、燃料要素３の冷却のうち、内と外のいずれか一方が不能になったとしても、もう一方で冷却を行うことができるので、受動的な安全性に優れている。また、核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、プルトニウムの増殖率を大きくすることができ、ウラン資源を有効利用できると共に、炉心２７を長寿命化することができる。また、内側冷却材としてガスを、外側冷却材として水／蒸気を使用しているので、冷却材として液体金属を使用する場合に比べて取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。また、燃料要素３を水又は水／水蒸気３３中に設置しているので、外部からの冷却水の供給が不能になったとしても、原子炉容器２５内の水又は水／水蒸気３３によって炉心２７の崩壊熱を除去することができる。このため、受動的な安全性に優れている。また、冷却材に液体ナトリウムを使用していないので、安全性に優れている。
【０１０３】
即ち、図１２の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様に、炉心冷却材３４を使用して燃料要素３を内側から冷却し、かつ、燃料要素３をプール６内の常温常圧の水３３内に入れることにより、動的な機器なしに、金属燃料２の崩壊熱を伝熱のみでプール６内の水３３に伝えることが出来るため、小型の高速炉は勿論のこと、中型、大型の高速炉でも崩壊熱の除去を受動的に達成できる。また、炉心冷却材３４に水との化学的反応性が強いナトリウムではなく、水（図１の高速炉１）又はヘリウムガス等の不活性ガス（図１２の高速炉１）を利用することで常温常圧の原子炉水プールに入れることが可能となっている。
【０１０４】
図１３に、炉心冷却材３４として不活性ガスや炭酸ガス、窒素ガス等のガスを使用した高速炉１の発電方式の概略構成を示す。炉心２７を冷却することで高温になった炉心冷却材３４はプール６の外に導かれ、発電に利用される。発電方式としては、高温になった炉心冷却材３４をガスタービン４０に導いて発電機４１を駆動して発電する方式（図１３（Ａ）：ガスタービン発電方式）、高温になった炉心冷却材３４を蒸気発生器４２に導いて蒸気を発生させて蒸気タービン４３で発電機４１を駆動して発電する方式（図１３（Ｂ）：蒸気発生器・蒸気タービン発電方式）、ガスタービン４０による発電機４１の駆動と蒸気タービン４３による発電機４１の駆動を併用する方式（図１３（Ｃ）：ガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式）が考えられる。
【０１０５】
図１４に、炉心冷却材３４として不活性ガスや炭酸ガス、窒素ガス等のガスを使用した高速炉１についての、高速炉施設２１の建築方法の一例を示す。なお、図１４について図４と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【０１０６】
図１４（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。原子炉建屋２４内に設置された原子炉格納容器２３内から原子炉容器２５やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図１４（Ｂ））。ＢＷＲプラント２２では、燃料交換の際に原子炉格納容器２３内に水を溜め原子炉容器２５を水没させるため、原子炉格納容器２３のプール６への転用は可能である。
【０１０７】
なお、高速炉プラント２１への改造に伴い、ＢＷＲプラント２２で使用していた図示しない蒸気タービンをガスタービン４０に変更してガスタービン発電方式（図１３（Ａ））にしたり、あるいはＢＷＲプラント２２で使用していた蒸気タービンをそのまま使用するときには蒸気発生器４２を新たに設置して蒸気発生器・蒸気タービン発電方式（図１３（Ｂ））にしたり、あるいはガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式（図１３（Ｃ））にする改造等も必要である。
【０１０８】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約８０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約５ｍになるので、原子炉格納容器２３内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が２倍以上の約８０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。
【０１０９】
図１４の例でも、図４の例と同様に、既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【０１１０】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、ガスタービン発電方式によって発電を行なっていたが、例えば図１３（Ｂ）に示す蒸気発生器・蒸気タービン発電方式によって発電を行なっても良く、図１３（Ｃ）に示すガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式によって発電を行なっても良い。
【０１１１】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、除去した崩壊熱を発電を行なう熱エネルギーとして利用していたが、発電以外に熱エネルギーを利用しても良い。例えば、熱エネルギーを暖房や給湯設備等に使用しても良く、その他の目的に熱エネルギーを使用しても良い。
【０１１２】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、高速炉１で使用した燃料要素３を例に説明していたが、高速炉１で使用した燃料要素３以外の燃料要素であっても、内部に冷却管を循環させている燃料要素であれば適用可能である。
【実施例１】
【０１１３】
本発明の高速炉１の炉心２７の寿命を確認するための実験を行った。図３に示す炉心２７を設計し、その燃焼特性を計算した。炉心２７の中心から半径１．６ｍの範囲（符号２７ａで示す領域）内に設置する燃料要素３の金属燃料２は濃縮ウランとして８．５％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、その周囲（符号２７ｂで示す領域、半径１．８ｍ）のブランケット燃料は０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。また、炉心２７の高さは２ｍである。
【０１１４】
図８に燃料要素３の横断面を、図９に燃料ユニット３５の断面をそれぞれ示す。この例では、金属燃料２として、一旦溶融させたものを型に流し込んで冷却し固化させた燃料ユニット３５を使用している。１つの燃料要素容器９内には、例えば６４個（８列×８列）の燃料ユニット３５が並べられている。各燃料ユニット３５には予め冷却管１０又は制御棒や安全棒を挿入する管３２を設置した後に、溶融金属燃料を流し込んでいる。
【０１１５】
なお、炉心２７の仕様は次の通りである。
・燃料要素ピッチＰ１：１０７．２ｍｍ
・燃料要素高さ：２ｍ
・熱出力：１．４ＭＷ／燃料要素
・炉心出力：１ＧＷｅ、電気出力：３３０ＭＷｅ（効率３３％）
・燃料要素数：７１４体
・炉心半径１．６ｍ
・ブランケット（炉心の１／４体積）半径：１．８ｍ
・炉心寿命：６０年（１３０ＧＷｄ／ｔの燃焼度）
・燃料濃縮度：８．５％、ブランケット：０．２％
・燃料要素Ｕ量：０．２１５ｔ／燃料要素
・Ｕインベントリー：１５４ｔ（濃縮Ｕ）、３９ｔ（劣化Ｕ）
・炉心平均ボイド率：５０％、出口ボイド率：９０％（飽和蒸気、二相流）
【０１１６】
また、燃料要素形状は次の通りである。
・冷却管（Ｚｒ）：水／蒸気２相流、内径４ｍｍ、外径５．６６ｍｍ、肉厚０．８３ｍｍ
・燃料ユニット：Ｕ−１０％Ｚｒ、ピッチＰ２：１２．９９ｍｍ
・燃料要素８×８形
・燃料要素被覆材（燃料要素容器）：内寸法１０３．９ｍｍ、外寸法１０５．５ｍｍ、肉厚０．８２ｍｍ
・燃料要素ピッチＰ１：１０７．２ｍｍ、燃料要素間隔：１．６ｍｍ
【０１１７】
実験の結果を図１０に示す。燃焼度が２００ＧＷ・ｄ／Ｔ（ギガワット日／トン）を超えても１．００以上の反応度ｋを確保することができた。なお、一般的な軽水炉では、１．００以上の反応度ｋを確保できるのは５０ＧＷ・ｄ／Ｔ程度である。この結果からも明らかなように、本発明の高速炉１の炉心２７は長寿命であることが確認できた。
【実施例２】
【０１１８】
本発明の炉心冷却材３４としてヘリウムガスを使用した高速炉１の炉心２７の寿命を確認するための実験を行った。図３に示す炉心２７を設計し、その燃焼特性を計算した。炉心２７の中心から半径１．６ｍの範囲（符号２７ａで示す領域）内に設置する燃料要素３の金属燃料２は濃縮ウランとして１０．０％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、その周囲（符号２７ｂで示す領域、半径２．０ｍ）のブランケット燃料は０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。また、炉心２７の高さは２ｍである。
【０１１９】
図１５に燃料要素３の横断面を、図１６に燃料ユニット３５の断面をそれぞれ示す。この例では、金属燃料２として、一旦溶融させたものを型に流し込んで冷却し固化させた燃料ユニット３５を使用している。１つの燃料要素容器９内には、例えば３６個（６列×６列）の燃料ユニット３５が並べられている。各燃料ユニット３５には予め冷却管１０又は制御棒や安全棒を挿入する管３２を設置した後に、溶融金属燃料を流し込んでいる。また、各燃料要素３には、例えば５本ずつ管３２が設けられている。
【０１２０】
なお、炉心２７の仕様は次の通りである。
・燃料要素高さ：２ｍ
・炉心出力：１ＧＷｅ、熱出力：３ＧＷ（効率３３％）
・熱出力：１．４ＭＷ／燃料要素
・燃料要素発生熱量：１．４４ＭＷ
・燃料要素数：２０８３体
・炉心半径２．０ｍ
・炉心重金属重量：１２１ｔ
・燃焼度：１２０ＧＷｄ／Ｔ
・ブランケット外半径：２．４ｍ（厚さ４０ｃｍ）
・炉心寿命：約１６年（燃料部分平均１２０ＧＷｄ／ｔの燃焼度）
・燃料濃縮度：１０％、ブランケット：０．２％
【０１２１】
また、燃料要素形状は次の通りである。
・冷却管（Ｈｅガス）内半径：５ｍｍ
・冷却管（ＳＵＳ）外半径：５．３７ｍｍ、肉厚：０．３７ｍｍ
・燃料ユニット：Ｕ−１０％Ｚｒ、ピッチＰ２：１３．１ｍｍ
・燃料要素６×６形
・燃料要素被覆材（燃料要素容器）：内寸法７８．３８ｍｍ、外寸法７９．６２ｍｍ、肉厚０．６７ｍｍ
・燃料要素ピッチＰ１：８０．８４ｍｍ、燃料要素間隔：２．４６（１．２３×２）ｍｍ
【０１２２】
実験の結果を図１７に示す。燃焼度が１４００００ＭＷｄ／Ｔ（メガワット日／トン）を超えても１．００以上の炉心反応度ｋを確保することができた。なお、上述の通り、一般的な軽水炉では、１．００以上の反応度ｋを確保できるのは５０ＧＷ・ｄ／Ｔ程度である。この結果からも明らかなように、本発明の高速炉１の炉心２７は長寿命であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明を適用した高速炉の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１の高速炉の燃料要素の断面図である。
【図３】図１の高速炉の炉心の概念図である。
【図４】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の実施形態の一例を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図５】金属燃料の間に金属チューブを設けた様子を示す図である。
【図６】本発明を適用した高速炉の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の他の実施形態を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図８】炉心寿命を確認するために行った第１の実験で想定した燃料要素の横断面図である。
【図９】図８の燃料要素を構成する燃料ユニットの横断面図である。
【図１０】炉心寿命を確認するために行った第１の実験の計算結果を示し、炉心の燃焼特性を示すグラフである。
【図１１】本発明を適用した使用済み燃料の貯蔵方法の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図１２】本発明を適用した高速炉の更に他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】図１２の高速炉で採用可能な発電方式を示し、（Ａ）はガスタービン発電方式の概略構成図、（Ｂ）は蒸気発生器・蒸気タービン発電方式の概略構成図、（Ｃ）はガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式の概略構成図である。
【図１４】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の更に他の実施形態を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図１５】炉心寿命を確認するために行った第２の実験で想定した燃料要素の横断面図である。
【図１６】図１５の燃料要素を構成する燃料ユニットの横断面図である。
【図１７】炉心寿命を確認するために行った第２の実験の計算結果を示し、炉心の燃焼特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 高速炉
２ 金属燃料
３ 燃料要素
６ プール
９ 燃料要素容器
１０ 冷却管
２１ 高速炉施設
２２ ＢＷＲプラント（原子炉施設）
２３ 原子炉格納容器
２５ 原子炉容器
２７ 炉心
２９ 反射体（熱交換器）
３３ 水又は水と水蒸気との２相流
３４ 水蒸気又は水蒸気と水との２相流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動的安全性を有する高速炉用燃料要素に関する。また、本発明は、受動的安全性を有する高速炉と、その高速炉を備えた高速炉施設の建設方法に関する。さらに、本発明は、使用済み燃料の貯蔵方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速炉にはより高いレベルの安全性が求められており、動的な機器を用いることなく外乱による影響を収束させる受動的な安全性が研究されている。例えば、特開平９−７２９８０号公報に開示されている高速炉では、冷却材流量喪失等の異常が発生した場合、冷却材の流出によりガス空間の体積を膨張させて炉心からの中性子ストリーミングを促し、炉内に負の反応度を挿入するようにしている。
【０００３】
また、もんじゅ等の高速炉では、ペレット状に成形した燃料を燃料被覆管に充填・密封して燃料要素とし、多数の燃料要素をラッパ管に挿入して燃料集合体を構成している。ラッパ管の下部にはエントランスノズルが設けられており、冷却材である液体ナトリウムはエントランスノズルのオリフィス孔よりラッパ管内に流入し、各燃料要素の間を流れながら除熱を行い上方に流出する。つまり、各燃料要素の外側を液体ナトリウムで冷却している。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−７２９８０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高速炉や高速炉用燃料要素の安全性には原理・思想の異なる手段を多重に設けることが肝要であり、受動的な安全性についてさらなる技術開発が要請されている。
【０００６】
また、もんじゅ等の高速炉ではペレット状の燃料を使用し、燃料要素の外側を液体ナトリウムによって冷却する構成であるが、この構成が全ての高速炉や高速炉用燃料要素について最適であるとは限らず、燃料要素の外側に加えて内側も冷却した方が良い場合もある。
【０００７】
さらに、これらの高速炉を実用化する為には、高速炉施設を経済的に建設する必要があると共に、使用済み燃料の貯蔵を経済的に行なう必要もある。
【０００８】
本発明は受動的な安全性に優れた高速炉および高速炉用燃料要素を提供することを目的とする。また、本発明は冷却性能に優れた高速炉および高速炉用燃料要素を提供することを目的とする。さらに、本発明は経済性に優れた高速炉施設の建設方法を提供することを目的とする。また、本発明は経済性に優れた使用済み燃料の貯蔵方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の高速炉用燃料要素は、金属燃料と、金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触し、冷却管内の炉心冷却材と燃料要素容器外の水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されるものである。ここで、請求項２記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項３記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。以下、例えば、炉心冷却材が水蒸気又は水蒸気と水との２相流である場合を例に説明する。ただし、炉心冷却材が不活性ガス等である場合も同様である。
【００１０】
したがって、金属燃料で生じた熱は冷却管と燃料要素容器とに伝えられ、冷却管内の炉心冷却材即ち水蒸気、又は水蒸気と水との２相流（以下、水蒸気／水２相流という）と、燃料要素容器の外側の水、又は水と水蒸気の２相流（以下、水／水蒸気／水２相流という）によって除去される。なお、説明を分かり易くするために、冷却管内に流す炉心冷却材即ち水蒸気又は水蒸気／水２相流を内側冷却材、燃料要素の周囲の水又は水／水蒸気２相流を外側冷却材という。
【００１１】
内側冷却材による冷却能力は外側冷却材による冷却能力よりも圧倒的に高く、炉心を構成する金属燃料は内側冷却材によって主に冷却される。燃料要素の周囲に炉心冷却材として多量の冷却水を流すのではなく、水蒸気又は水蒸気／水２相流の状態にすることで水の割合を少なくした内側冷却材を燃料要素内を循環する冷却管内に流すようにしている。このため、金属燃料に対して水（減速材）の割合が少なくなり、内側冷却材による高速中性子の減速等による減少は僅かであり、炉心において高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。一方、冷却材としての流量は確保できるので、炉心を良好に冷却することができる。
【００１２】
複数の燃料要素を並べて高速炉の炉心を構成しても良いが、小型の高速炉の場合等には燃料要素１つだけで炉心を構成しても良い。複数の燃料要素を並べる場合には、各燃料要素の間に隙間をあけて周囲の外側冷却材が循環できるようにする。外側冷却材は燃料要素を冷却することで加熱されて自然対流し、各燃料要素を外側から冷却する。つまり、本発明では、内側冷却材と外側冷却材を使用して燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。ただし、各燃料要素間に外側冷却材が流れると、それに応じて高速中性子が減速される等して減少するので、各燃料要素間の外側冷却材の流量は最大でも炉心の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて各燃料要素間の隙間の広さを決定する。一方、燃料要素１つだけで炉心を構成する場合にも、内側冷却材と外側冷却材を使用して、燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。
【００１３】
何らかの原因によって内側冷却材による高速炉用炉心の冷却が困難になったとしても、燃料要素は外側冷却材中に設置されているので、この外側冷却材によって燃料要素を冷却することができる。内側冷却材として例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を、外側冷却材として水又は水／水蒸気２相流をそれぞれ使用しているので、内側冷却材と外側冷却材とが接触したとしても液体ナトリウムと水とが接触した場合のように激しく反応することはない。
【００１４】
また、請求項４記載の高速炉は、燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、炉心冷却材と水又は水と水蒸気との２相流により燃料要素の内と外から冷却を行うものである。
【００１５】
また、請求項５記載の高速炉は、水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、燃料要素をプール内に設置するものである。このように、外側冷却材を貯めたプール内に燃料要素を設置するようにしても良い。ここで、請求項６記載の高速炉のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項７記載の高速炉のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。以下、例えば、炉心冷却材が水蒸気又は水蒸気と水との２相流である場合を例に説明する。ただし、炉心冷却材が不活性ガス等である場合も同様である。
【００１６】
したがって、炉心を構成する金属燃料は炉心冷却材としての冷却管内の内側冷却材によって主に冷却される。燃料要素の周囲に炉心冷却材として多量の冷却水を流すのではなく、水蒸気又は水蒸気／水２相流の状態にすることで水の割合を少なくした内側冷却材を燃料要素内を循環する冷却管内に流すようにしている。このため、金属燃料に対して水（減速材）の割合が少なくなり、内側冷却材による高速中性子の減速等による減少は僅かであり、炉心において高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。一方、冷却材としての流量は確保できるので、炉心を良好に冷却することができる。
【００１７】
複数の燃料要素を並べて炉心を構成しても良いが、小型の高速炉の場合等には燃料要素１つだけで炉心を構成しても良い。複数の燃料要素を並べる場合には、各燃料要素の間に隙間をあけて周囲の外側冷却材が循環できるようにする。外側冷却材は燃料要素を冷却することで加熱されて自然対流し、各燃料要素を外側から冷却する。つまり、本発明では、内側冷却材と外側冷却材を使用して燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。ただし、各燃料要素間に外側冷却材が流れると、それに応じて高速中性子が減速される等して減少するので、各燃料要素間の外側冷却材の流量は最大でも炉心の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて各燃料要素間の隙間の広さを決定する。一方、燃料要素１つだけで炉心を構成する場合にも、内側冷却材と外側冷却材を使用して、燃料要素を内と外の両方から冷却することができる。
【００１８】
何らかの原因によって内側冷却材による炉心の冷却が困難になったとしても、燃料要素は外側冷却材中に設置されているので、この外側冷却材によって燃料要素を冷却することができる。内側冷却材として例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を、外側冷却材として水又は水／水蒸気２相流をそれぞれ使用しているので、内側冷却材と外側冷却材とが接触したとしても液体ナトリウムと水とが接触した場合のように激しく反応することはない。
【００１９】
また、請求項８記載の高速炉は、冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を燃料要素の下部に設置すると共に、冷却管に炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするものである。
【００２０】
したがって、炉心冷却材は水の状態で熱交換器に供給され、ここで加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流となった後、燃料要素内を循環して金属燃料を冷却する。冷却によって高温になった水蒸気又は水蒸気／水２相流は再び熱交換器に流入し、炉心冷却前の冷却水を加熱する。
【００２１】
また、請求項９記載の高速炉は、熱交換器が燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体である。したがって、反射体を利用して熱交換器を構成することができる。反射体は、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼等である。
【００２２】
また、請求項１０記載の高速炉のように、燃料要素が原子炉容器内に設置され、水又は水と水蒸気との２相流が原子炉容器内に貯められているものでも良い。このように、原子炉容器内に炉心を配置する高速炉にできる。また、請求項１１記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、炉心冷却材を冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするようにしても良い。
【００２３】
さらに、請求項１２記載の高速炉施設の建設方法は、既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設するものである。
【００２４】
例えば、軽水炉を備えるプラントでは、原子炉建屋内に原子炉格納容器を設置し、その中に原子炉容器を収容している。原子炉格納容器はもともと放射性物質の封じ込めを目的としたものであり、内部に水又は水と水蒸気との２相流を貯めることができる。この原子炉格納容器をプールとして転用することで、既存の原子炉施設を利用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設することができる。
【００２５】
また、請求項１３記載の高速炉施設の建設方法は、既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設するものである。
【００２６】
例えば、軽水炉を備えるプラントでは、原子炉建屋内に原子炉格納容器を設置し、その中に原子炉容器を収容している。原子炉容器はもともと放射性物質の封じ込めを目的としたものであり、内部に水又は水と水蒸気との２相流を貯めることができる。この原子炉容器を使用することで、既存の原子炉施設を利用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設することができる。
【００２７】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素を高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００２８】
請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素には燃料要素容器内を循環する冷却管が設けられている。この冷却管に冷却材を循環させることで、使用済み燃料を内部から冷却することができる。冷却管を通り抜けた冷却材は高温になっており、この熱を発電、熱利用施設の熱源等に利用することができる。
【００２９】
また、請求項１５記載の発明は、請求項４から１１のいずれか１つに記載された高速炉の燃料要素を当該高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００３０】
請求項４から１１のいずれか１つに記載された燃料要素には内部を循環する冷却管が設けられている。この冷却管に冷却材を循環させることで、使用済み燃料を内部から冷却することができる。冷却管を通り抜けた冷却材は高温になっており、この熱を発電、熱利用施設の熱源等に利用することができる。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１記載の高速炉用燃料要素では、金属燃料と、金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触し、冷却管内の炉心冷却材と燃料要素容器外の水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されるようにしているので、内側冷却材としての炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を燃料要素内で良好に循環させることができ、金属燃料を内から良好に冷却することができる。また、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、内側冷却材と外側冷却材とによって燃料要素の内と外から冷却を行うようにしているので、冷却性能を向上させることができる。また、たとえ燃料要素の内からの冷却が不能になったとしても、燃料要素を外から冷却することができるので、受動的な安全性をより一層向上させることができる。また、たとえ内側冷却材である炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流と外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流とが接触しても激しく反応することはなく安全である。また、液体金属に比べて水や水蒸気は取り扱いが容易であり、冷却材として液体金属を使用する高速炉に比べてその構造を簡単なものにすることができる。さらに、冷却材として水や水蒸気を使用することは軽水炉等において既に長年の運用実績があり、技術的な蓄積がある。これを高速炉用燃料要素に適用することで、より一層安全性が高い高速炉用燃料要素を実現することができる。
【００３２】
ここで、請求項２記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項３記載の高速炉用燃料要素のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。
【００３３】
また、請求項４記載の高速炉では、燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、炉心冷却材と水又は水と水蒸気との２相流により燃料要素の内と外から冷却を行うので、内側冷却材としての炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流を燃料要素内で良好に循環させることができ、金属燃料を内から良好に冷却することができる。また、少なくとも運転時には金属燃料は冷却管の外周面及び燃料要素容器の内側面に接触しており、内側冷却材と外側冷却材とによって燃料要素の内と外から冷却を行うようにしているので、冷却性能を向上させることができる。また、たとえ燃料要素の内からの冷却が不能になったとしても、燃料要素を外から冷却することができるので、受動的な安全性をより一層向上させることができる。また、たとえ内側冷却材である炉心冷却材例えば水蒸気又は水蒸気／水２相流と外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流とが接触しても激しく反応することはなく安全である。また、液体金属に比べて水や水蒸気は取り扱いが容易であり、冷却材として液体金属を使用する高速炉に比べてその構造を簡単なものにすることができる。さらに、冷却材として水や水蒸気を使用することは軽水炉等において既に長年の運用実績があり、技術的な蓄積がある。これを高速炉に適用することで、より一層安全性が高い高速炉を実現することができる。
【００３４】
また、請求項５記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、燃料要素をプール内に設置するようにしても良い。
【００３５】
ここで、請求項６記載の高速炉のように、炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流でも良く、請求項７記載の高速炉のように、炉心冷却材は、不活性ガスでも良い。
【００３６】
また、請求項８記載の高速炉では、冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を燃料要素の下部に設置すると共に、冷却管に炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするので、炉心の熱を利用して炉心冷却材である水蒸気又は水蒸気／水２相流を発生させることができる。このため、炉心で発生させた熱をより有効に利用することができると共に、炉心冷却材としての流量の確保が容易である。
【００３７】
また、請求項９記載の高速炉では、熱交換器が燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体であるので、反射体を利用して熱交換器を構成することができる。このため、別部材としての熱交換器が不要になり、製造コストを安くすることができる。また、高速炉を小型化することができる。
【００３８】
また、請求項１０記載の高速炉のように、燃料要素が原子炉容器内に設置され、水又は水と水蒸気との２相流が原子炉容器内に貯められているものでも良い。このように、原子炉容器内に炉心を配置する高速炉を構成することができる。また、請求項１１記載の高速炉のように、水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、炉心冷却材を冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にするようにしても良い。
【００３９】
さらに、請求項１２記載の高速炉施設の建設方法では、既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設するので、既存の原子炉施設を利用して、高速炉施設を建設することができる。このため、高速炉施設の建設に要する費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設の一部を有効活用できるので、その分だけ廃棄物を減らすことができて環境面でも優れている。さらに、老朽化した原子炉施設を再利用することができるので、原子力関係の施設を有効利用することができ、例えば原子炉の廃止措置に伴う放射線管理の負担等を軽減することができる。また、上述の効果を有する高速炉を備える高速炉施設を建設することができる。
【００４０】
また、請求項１３記載の高速炉施設の建設方法では、既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設するので、既存の原子炉施設を利用して、高速炉施設を建設することができる。このため、高速炉施設の建設に要する費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設の一部を有効活用できるので、その分だけ廃棄物を減らすことができて環境面でも優れている。さらに、老朽化した原子炉施設を再利用することができるので、原子力関係の施設を有効利用することができ、例えば原子炉の廃止措置に伴う放射線管理の負担等を軽減することができる。また、上述の効果を有する高速炉を備える高速炉施設を建設することができる。
【００４１】
また、請求項１４記載の使用済み燃料の貯蔵方法では、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するので、燃料要素容器内を循環する冷却管をそのまま利用して貯蔵中の使用済み燃料を冷却することができる。このため、低コストで使用済み燃料の崩壊熱を回収し熱エネルギーとして利用することができる。また、使用済み燃料を内部から冷却することができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。
【００４２】
また、請求項１５記載の使用済み燃料の貯蔵方法では、冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するので、燃料要素内を循環する冷却管をそのまま利用して貯蔵中の使用済み燃料を冷却することができる。このため、低コストで使用済み燃料の崩壊熱を回収し熱エネルギーとして利用することができる。また、使用済み燃料を内部から冷却することができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００４４】
図１に、本発明を適用した高速炉の実施形態の一例を示す。高速炉１は、金属燃料２を密封した燃料要素３をプール６内に設置すると共に、燃料要素３内に水蒸気又は水蒸気と水との２相流（水蒸気／水２相流）３４を循環させて炉心２７を冷却するものである。プール６内には多数の燃料要素３が若干の隙間７をあけて並べられており、炉心２７が構成されている。燃料要素３はプール６内に直接設置されている。
【００４５】
なお、図１では２つの燃料要素３を記載しているが、実際には多数の燃料要素３が設けられている。各燃料要素３間の隙間７を流れるプール６内の水又は水と水蒸気の２相流（水／水蒸気／水２相流）３３は高速中性子を減速させるので、高速炉１では負の反応度を与えることになる。このため、隙間７を流れる水の流量は最大でも炉心２７の核分裂連鎖反応を維持できる程度の流量とし、この流量にあわせて隙間７の広さを決定する。なお、本実施形態では、プール６内に貯める水又は水／水蒸気２相流３３として、水３３を使用する。ただし、水３３に代えて、水と水蒸気とが混在した状態の水／水蒸気２相流３３を使用しても良い。
【００４６】
本実施形態では、炉心冷却材３４として水（冷却材）を使用し、これを炉心２７では水蒸気の状態又は水蒸気／水２相流の状態で使用する。炉心冷却材３４としての水蒸気によって減速される高速中性子の数は少ないので、水蒸気３４で炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。また、炉心冷却材３４としての水蒸気／水２相流は、水蒸気と高ボイド率の水とが混在した状態のものであり、減速材となる水の存在割合が小さく減速される高速中性子の数は少ないので、水蒸気／水２相流３４で炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。即ち、水蒸気／水２相流３４としては、高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる程度に高ボイド率の水と水蒸気とが混在したものを使用する。
【００４７】
燃料要素３の横断面を図２に示す。燃料要素３は、内部が密閉された燃料要素容器９と、燃料要素３内を循環し水蒸気又は水蒸気／水２相流３４が流れる冷却管１０とを備えると共に、少なくとも運転時には金属燃料２は冷却管１０の外周面及び燃料要素容器９の内側面に接触しており、燃料要素３の内と外から冷却を行うようにしている。つまり、高速炉１が運転されて金属燃料２が高温になると金属燃料２は膨張するが、少なくとも膨張したときには金属燃料２は燃料要素容器９と冷却管１０に十分に接触し、金属燃料２で生じた熱を燃料要素容器９と冷却管１０に良好に伝達することができる。燃料要素容器９内の金属燃料２の下には、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼製の反射体２９が設けられている。ただし、反射体２９の材料はＳＵＳ以外のステンレス鋼でも良く、またステンレス鋼以外の材料でも良い。
【００４８】
反射体２９は熱交換器としても機能する。つまり、燃料要素３の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体２９を熱交換器としても使用している。これにより、燃料要素３の下部に熱交換器が設置され、燃料要素３に炉心冷却材として冷却水３４を供給し、後述するように炉心２７冷却後の水蒸気又は水蒸気／水２相流３４によって炉心２７冷却前の液体状態の冷却水３４を加熱して水蒸気又は水蒸気／水２相流３４にする。
【００４９】
燃料要素容器９は、例えばステンレス鋼製のボックスである。また、冷却管１０は、例えばステンレス鋼製の管である。ただし、これらの材料はステンレス鋼に限るものではなく、ステンレス鋼以外の材料、例えばジルコニウム合金やその他の材料を採用しても良い。冷却管１０は、炉心冷却材３４を循環させる流入管３０と流出管３１のいずれか一方より分岐して燃料要素３内に下から進入している。流入管３０より分岐した冷却管（以下、流入側冷却管という）１０と流出管３１より分岐した冷却管（以下、流出側冷却管という）１０とが１本ずつペアとなり、ペア毎に上端を連通させている。つまり、流入側冷却管１０と流出側冷却管１０とでＵ字管を構成している。各冷却管１０の下端、具体的には流入側冷却管１０の下端（上流端）と流出側冷却管１０の下端（下流端）は反射体２９を貫通している。冷却管１０は反射体２９に対して十分に接触しており、熱伝達が行われる。このように、金属燃料２と、金属燃料２を収容し、水又は水／水蒸気２相流３３中に設置された燃料要素容器９と、燃料要素容器９内を循環し、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４が流れる冷却管１０とを備える高速炉用燃料要素３が構成される。
【００５０】
金属燃料２は、例えばＵ−Ｚｒ等の金属燃料である。ただし、Ｕ−Ｚｒに限るものではなく、その他のウラン合金、プルトニウム合金等でも良く、金属ウラン、金属プルトニウム等でも良い。金属燃料２は、例えば粒子形状を成しており、燃料要素容器９内に充填されている。燃料要素容器９内には金属燃料２が例えば充填率（スミヤー密度）５０〜８０％程度で充填されており、金属燃料２の隙間には例えばＨｅ等の不活性ガスが充填されている。また、金属燃料２の上方空間は、例えばＨｅ等の不活性ガス溜１１となっている。粒子状の金属燃料２を充填しているので、燃料要素容器９内で金属燃料２が動くことができ、運転時の体積膨張を逃がすことができる。また、金属燃料２の核分裂によって発生したクリプトンやキセノン等のガスは不活性ガス溜１１に溜められる。金属燃料２で発生した熱は接触によって燃料要素容器９や冷却管１０に直接伝達されるが、隙間に充填された不活性ガスによっても伝達される。
【００５１】
燃料要素３は、例えば１．６ｍｍの間隔（ただし燃料要素３の間隔。ピッチ間隔では１００ｍｍ）をあけて並べられている。また、燃料要素３の大きさは、横断面のサイズが例えば０．１ｍ×０．１ｍ、高さが例えば２ｍである。１つの燃料要素３には、例えば６４本（図２では２４本のみ図示）の冷却管１０が設けられている。冷却管１０の内径は、例えば４ｍｍである。冷却管１０は、例えば１３ｍｍの間隔をあけて並べられている。ただし、これらの数値は一例であり、これらの数値に限るものではない。必要な冷却能力や出力等に応じて適宜設計する。
【００５２】
なお、実際には、例えば図３に示すように、炉心２７の中央２７ａに上述の金属燃料２を充填した燃料要素３を配置し、その周囲２７ｂにブランケット燃料を充填した燃料要素３を配置し、高速中性子の漏れ防止とプルトニウムの増殖が図られている。金属燃料２は、例えば濃縮ウランとして１０％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、ブランケット燃料は、例えば０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。
【００５３】
プール６内はプール蓋２０によって密閉されている。プール６内の水３３の水面３３ａの上には、例えばＨｅ、窒素、アルゴン等の不活性ガスが充填された不活性ガス溜１３となっている。水３３の温度変化に伴う体積変動を、不活性ガス溜１３の体積を変化させることで吸収することができる。
【００５４】
プール６には、運転停止時にたとえ炉心冷却材３４による冷却が不能になったとしても、炉心２７の崩壊熱を除去し炉心２７の健全性を維持することができる程度に十分な量の水３３が蓄えられている。プール６内の水３３の温度は、例えば常温である。なお、プール蓋２０は放射性物質を閉じ込める機能も有している。
【００５５】
なお、プール６内の水３３を冷却するプール冷却系を設け、高速炉１の通常運転時における水３３の温度上昇や、運転停止時の水３３の温度上昇を防止するようにしても良い。また、プール冷却系に代えて、二次冷却系との間で熱交換を行う熱交換器を設けても良い。
【００５６】
プール蓋２０の上面には、制御棒や安全棒を駆動する駆動機構１８が設置されている。なお、図１では制御棒と安全棒をまとめて棒１９で示しているが、実際には複数の制御棒と複数の安全棒が設置されており、駆動機構１８によって位置制御される。制御棒や安全棒は、例えば冷却管１０と並べらて設置された管３２内に挿入される。即ち、制御棒や安全棒は燃料要素３内に挿入される。ただし、各燃料要素３間の隙間７に制御棒や案内棒を挿入するようにしても良い。
【００５７】
次に、高速炉１の作動について説明する。
【００５８】
流入管３０を通じて液体状の炉心冷却材３４即ち冷却水が供給され、熱交換器として機能する反射体２９によって加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流（内側冷却材）３４となる。ここで、供給される冷却水は例えば飽和温度に近い温度の冷却水であり、反射体２９で加熱されることでただちに水蒸気又は水蒸気／水２相流３４になり、この状態で炉心２７へと進入する。つまり、炉心２７の冷却は水蒸気３４か、又は水蒸気／水２相流３４によって行われるので、金属燃料２に対して減速材となる水の割合を少なくできて炉心冷却材３４による高速中性子の減少は僅かであり、高速中性子を利用した核分裂連鎖反応を維持できる。
【００５９】
反射体２９で加熱されて水蒸気又は水蒸気／水２相流３４となった炉心冷却材３４は運転中の炉心２７の温度よりも十分低い。したがって、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を使用して炉心２７を冷却することができる。水蒸気又は水蒸気／水２相流３４は流入側冷却管１０→流出側冷却管１０へと流れながら炉心２７を冷却する。そして、炉心２７を冷却して高温になった水蒸気３４、又は炉心２７を冷却して高温になり更に高ボイド率となった２相流３４は反射体２９を通過しながらこれを加熱した後、流出管３１から流出する。この後、水蒸気又は水蒸気／水２相流３４は、例えば図示しない気水分離器で気水分離され、分離した水蒸気のみを図示しない蒸気乾燥器で乾燥させた後、図示しない発電機の蒸気タービンに供給してこれを駆動し発電を行う。その後、水蒸気は図示しない復水器によって液体の状態に戻され、図示しないポンプによって吐出されて流入管３０へと循環される。このように、高速炉１の通常運転時には、炉心２７で発生した熱は炉心冷却材３４を循環させる冷却系（以下、水／蒸気冷却系という）によって高速炉１の外へと伝えられ、炉心２７の健全性が保たれる。
【００６０】
また、燃料要素３はプール６内に設置されているため、プール６内の水（外側冷却材）３３によっても冷却される。プール６内の水３３は各燃料要素３間の隙間７を加熱されながら上昇し、自然対流によってプール６内を循環する。尚、プール６内の水３３は隙間７では加熱されるため水蒸気／水２相流になっている場合がある。但し、燃料要素３間を抜けると周囲の水に冷却され水に戻る。なお、水３３の温度が大きく上昇することが予測される場合等には上述したように図示しないプール冷却系や熱交換器を設けて水３３の温度上昇を抑えるようにしても良い。
【００６１】
このように、高速炉１では炉心冷却材３４とプール６内の水３３を使用して燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。
【００６２】
ただし、炉心２７の冷却能力は、プール６内の水３３を利用した冷却系よりも炉心冷却材３４を利用した水／蒸気冷却系の方が圧倒的に高い。このため、プール６内の水温は殆ど変化しない。また、炉心２７で発生したエネルギーを例えば発電に有効利用することができる。
【００６３】
高速炉１では核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、熱中性子を利用する場合に比べてプルトニウムの増殖率を大きくすることができる。このため、ウラン資源を有効利用することができると共に、炉心２７を長寿命化することができる。
【００６４】
また、高速炉１では、炉心冷却材３４として水／蒸気を使用しているので、炉心冷却材として液体金属を使用する場合に比べて、その取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。
【００６５】
水／蒸気冷却系に不具合が生じ高速炉１の運転が停止されると、炉心２７の崩壊熱は金属燃料２から燃料要素容器９に伝わり、プール６内の水３３によって除去される。各燃料要素３の間には僅かではあるが隙間７が存在しているので、プール６内の水３３は隙間７を自然対流しながら燃料要素３を冷却する。プール６内には炉心２７の崩壊熱を除去するのに十分な量の水が蓄えられているので、水を自然対流させることで炉心２７の崩壊熱を除去し健全性を維持することができる。このため、受動的な安全性に優れている。
【００６６】
この高速炉１では炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を使用しているので、たとえ炉心冷却材３４がプール６内の水３３に接触しても液体ナトリウムのように激しく反応することがなく、安全性に優れている。また、プール６内に燃料要素３を直接設置することが可能になり、構造を簡単にすることができる。
【００６７】
本発明の高速炉１を備える施設２１を新規に建設しても良いが、既存の原子炉施設２２を改造しても良い。即ち、既存の原子炉施設２２の原子炉格納容器２３内から当該原子炉施設２２の設備を撤去した後、原子炉格納容器２３内に燃料要素３を設置すると共に水３３を貯め、原子炉格納容器２３をプール６に転用して高速炉施設２１を建設することもできる。
【００６８】
図４に、高速炉施設２１の建設方法の一例を示す。図４（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。ＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４内に原子炉格納容器２３を設置し、その中に原子炉容器２５を設置している。原子炉格納容器２３内から原子炉容器２５やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図４（Ｂ））。ＢＷＲプラント２２では、燃料交換の際に原子炉格納容器２３内に水を溜め原子炉容器２５を水没させるため、原子炉格納容器２３のプール６への転用は可能である。
【００６９】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約４ｍになるので、原子炉格納容器２３内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が１割増しの約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。なお、原子炉格納容器２３の近傍には使用済燃料を一時的に保管するプール２８があり、このプール２８はそのまま利用できる。
【００７０】
このように既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【００７１】
次に、本発明の使用済み燃料の貯蔵方法について説明する。高速炉１で使用した燃料要素３は使用済み燃料となるが、燃料要素３内には冷却管１０が設けられているので、貯蔵時において冷却管１０を利用して燃料要素３の崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして有効利用するものである。即ち、本発明の使用済み燃料の貯蔵方法は、冷却管１０に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用するものである。
【００７２】
この使用済み燃料の貯蔵方法の一例を図１１に示す。図１１の例では、ガスタービン発電方式によって発電を行なっている。使用済み燃料である燃料要素３は、例えばコンクリートで作られた貯蔵建屋３９内に並べられており、貯蔵建屋３９によって密封されている。各燃料要素３の流入側冷却管１０を供給管３７に接続し、各燃料要素３の流出側冷却管１０を排出管３８に接続している。供給管３７と排出管３８は例えば発電用のガスタービン４０に接続されている。貯蔵時に冷却管１０内に循環させる冷却材は、例えば気体冷却材でも液体冷却材でも良い。気体冷却材としては例えばヘリウムガス、炭酸ガス、窒素ガス等の使用が、液体冷却材としては例えば水等の使用が可能である。
【００７３】
図示しないポンプ等によって冷却材を供給管３７→各燃料要素３→排出管３８→ガスタービン４０→供給管３７へと循環させることで、各燃料要素３を冷却すると共に、各燃料要素３の崩壊熱を回収してガスタービン４０で発電機４１を駆動させて発電を行うことができる。即ち、使用済み燃料（燃料要素３）の崩壊熱を熱エネルギーとして有効利用することができる。なお、燃料要素３の外側には例えば冷却空気等が循環しており、燃料要素３の外側からも同時に冷却が行なわれる。ただし、燃料要素３の外側からの冷却を省略しても良い。
【００７４】
本発明では、冷却管１０に冷却材を循環させて燃料要素３の内側から崩壊熱を除去するので、効率よく崩壊熱を除去することができる。即ち、従来の使用済み燃料の貯蔵方法では、例えば特開２０００−２７５３９５号公報に示す技術のように、使用済み燃料の外側からしか冷却を行うことができなかった。本願発明では、燃料要素３の外側からの冷却に加えて、内側からの冷却も行うことができるので、崩壊熱によって最も高温になっている部分を直接的に冷却することができ、効率よく冷却を行なうことができる。また、燃料要素３の内側から崩壊熱を除去することができるので、隣り合う燃料要素３同士の間隔を狭くすることができ、燃料要素３を密に並べて貯蔵することができる。
【００７５】
さらに、燃料要素３に予め設けられている冷却管１０をそのまま利用することができるので、貯蔵時にわざわざ冷却管１０を後付けする必要がなく、低コストで崩壊熱を熱エネルギーとして回収することができる。低コストで崩壊熱の回収が可能になるので、その実現はより現実的である。また、低コストで崩壊熱の有効利用が可能になるので、例えば使用済み燃料の貯蔵、その貯蔵施設による発電等を収益事業として実施することができる。
【００７６】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００７７】
例えば、上述の高速炉１では、粒子形状の金属燃料２を燃料要素容器９に充填していたが、例えば図５に示すように、粒子形状の金属燃料２の間に変形可能な金属製チューブ２６を挿入し、金属燃料２の温度変化に伴う膨張・収縮に応じて金属製チューブ２６を変形させるようにしても良い。金属製チューブ２６の上部は不活性ガス溜１１に開放されている。また、金属製チューブ２６の横断面は、例えば楕円形を成している。
【００７８】
また、粒子形状の金属燃料２を充填することに代えて、金属製チューブ２６を設置した状態で、例えば溶融状態の金属燃料２を燃料要素容器９内に流し込んで冷却し固化することも考えられる。
【００７９】
また、上述の説明では、反射体２９を熱交換器として利用していたが、反射体２９とは別に熱交換器を設けても良い。
【００８０】
また、上述の説明では、水／蒸気冷却系によって図示しない蒸気タービンを駆動するようにしていたが、例えば水／蒸気冷却系と蒸気タービンとの間に二次冷却系や三次冷却系等を設けても良い。
【００８１】
また、上述の説明では、炉心冷却材３４として液体状の冷却水を炉心２７に供給し、これを炉心２７の熱で水蒸気又は水蒸気／水２相流３４にしていたが、炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流３４を炉心２７に供給するようにしても良い。
【００８２】
また、上述の説明では、燃料要素３をプール６内に設置していたが、水又は水／水蒸気２相流３３中、即ち外側冷却材３３中であれば必ずしもプール６内に設置しなくても良い。例えば図６に示すように、原子炉容器２５内に燃料要素３を設置すると共に、原子炉容器２５内に水又は水／水蒸気２相流３３を貯めるようにしても良い。なお、図６の高速炉１では図１の高速炉１と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【００８３】
原子炉容器２５内には、運転停止時にたとえ外部からの冷却材の供給が不能になったとしても、炉心２７の崩壊熱を除去し炉心２７の健全性を維持することができる程度に十分な量の水又は水／水蒸気２相流３３が蓄えられている。原子炉容器２５内には円筒状のシュラウド８が設けられており、このシュラウド８内に燃料要素３は設置されている。本実施形態では、燃料要素３の冷却管１０は燃料要素容器９を上下に貫通している。図示しない制御棒や安全棒は、例えば炉心の下から挿入される。ただし、炉心の上から挿入する構成としても良い。
【００８４】
外側冷却材である水又は水／水蒸気２相流３３は流入管３０から原子炉容器２５内に供給され、原子炉容器２５内の底部から燃料要素３の冷却管１０内に流入し、炉心２７の熱で水蒸気又は水蒸気／水２相流３４（内側冷却材）となって上昇する。また、原子炉容器２５の底部の水又は水／水蒸気２相流３３の一部はそのまま外側冷却材として燃料要素３の間の隙間７に流入し、ここで加熱されて上昇する。そして、水面３３ａの上に到達した水蒸気は流出管３１から流出し、例えば発電等に使用される。また、燃料要素３の内側又は外側を通り抜けた流れの液相部分はシュラウド８を越えて外側冷却材となり、シュラウド８の外側を下降する。このようにして炉心冷却材の流れが形成され、炉心２７が冷却される。
【００８５】
なお、原子炉容器２５内において冷却材を自然対流によって循環させても良いが、図示しないポンプ等を設けて強制的に循環させるようにしても良い。
【００８６】
図６の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様に、炉心２７の冷却を主に行う内側冷却材３４は水蒸気又は水蒸気／水２相流であり、また、炉心２７における核分裂連鎖反応を考慮して外側冷却材が流れる隙間７の広さを決定しているので、炉心２７において高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【００８７】
また、図６の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様の効果を得ることができる。つまり、燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。また、燃料要素３の冷却のうち、内と外のいずれか一方が不能になったとしても、もう一方で冷却を行うことができるので、受動的な安全性に優れている。また、核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、プルトニウムの増殖率を大きくすることができ、ウラン資源を有効利用できると共に、炉心２７を長寿命化することができる。また、冷却材として水／蒸気を使用しているので、液体金属を使用する場合に比べて取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。また、燃料要素３を水又は水／水蒸気３３中に設置しているので、外部からの冷却水の供給が不能になったとしても、原子炉容器２５内の水又は水／水蒸気３３によって炉心２７の崩壊熱を除去することができる。このため、受動的な安全性に優れている。また、冷却材に液体ナトリウムを使用していないので、安全性に優れている。
【００８８】
また、上述の説明では、燃料要素３をプール６又は原子炉容器２５内に設けることで水又は水／水蒸気２相流３３中に設置するようにしていたが、プール６や原子炉容器２５以外の容器類類内に設けることで水又は水／水蒸気２相流３３に設置するようにしても良い。
【００８９】
さらに、上述の説明では、既存の原子炉設備２２の原子炉格納容器２３を利用して高速炉施設２１を建設していたが、原子炉格納容器２３以外の設備を利用しても良い。例えば、図７に、高速炉施設２１の建設方法の他の実施形態を示す。図７（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。ＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４内に原子炉格納容器２３を設置し、その中に原子炉容器２５を設置している。原子炉容器２５内から炉心やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水又は水／水蒸気２相流３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図７（Ｂ））。
【００９０】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約４ｍになるので、原子炉容器２５内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が１割増しの約４０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。なお、原子炉格納容器２３の近傍には使用済燃料を一時的に保管するプール２８があり、このプール２８はそのまま利用できる。
【００９１】
図７の例でも、図４の例と同様に、既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【００９２】
さらに、上述の説明では、既存の原子炉施設２２としてＢＷＲプラントを例に挙げ、ＢＷＲプラントを高速炉プラント２１に改造していたが、ＢＷＲプラント以外の原子炉施設、例えばＰＷＲプラント、ガス炉プラント等を高速炉プラント２１に改造しても良いことは勿論である。
【００９３】
また、上述の説明では、燃料要素３内の冷却管１０に循環させる炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用していたが、水蒸気又は水蒸気／水２相流に限るものではなく、例えば不活性ガス等を使用しても良い。ここで、不活性ガスとしては、例えばヘリウムガスの使用が適している。炉心冷却材３４として不活性ガスを使用することで、水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用する場合に比べて、炉心２７の熱を除去する能力が向上し、高速炉１の出力密度を大きくすることができ、炉心２７を小さくすることができる。特に、ヘリウムガスは炉心の熱を除去する能力が大きいので、出力密度の大きな高速炉１の実現に適している。また、炉心冷却材３４として、例えば炭酸ガス、窒素ガス等を使用しても良く、この場合にも炉心２７の熱を除去する能力が向上し、高速炉１の出力密度を大きくすることができ、炉心２７を小さくすることができる。
【００９４】
また、炉心冷却材３４として水蒸気又は水蒸気／水２相流を使用した場合と同様に、不活性ガスによって減速される高速中性子の数は少ないので、不活性ガスで炉心２７を冷却しても高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【００９５】
また、燃料要素３の上に崩壊熱冷却塔を設けても良い。崩壊熱冷却塔は、例えばＳＵＳ等のステンレス鋼製のブロックで、燃料要素容器９の上に設けられ、プール６内の水３３に接触している。崩壊熱冷却塔内に冷却管１０内を流れる炉心冷却材３４を循環させることで、炉心冷却材３４の熱をプール６内の水３３に逃がす能力を向上させることができる。
【００９６】
図１２に、炉心冷却材３４として例えばヘリウムガスを使用すると共に、燃料要素３の上に崩壊熱冷却塔３６を設けた高速炉１を示す。なお、図１２の高速炉１では図１の高速炉１と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【００９７】
崩壊熱冷却塔３６内には例えばＵ字状の孔３６ａが設けられており、このＵ字状の孔３６ａの入口側には流入側冷却管１０が、出口側には流出側冷却管１０がそれぞれ接続され、全体としてＵ字状の循環路が形成されている。炉心冷却材３４としてのヘリウムガスは、流入管３０→流入側冷却管１０→Ｕ字状の孔３６ａ→流出側冷却管１０→流出管３１へと循環し、炉心２７を冷却する。
【００９８】
この高速炉１では崩壊熱冷却塔３６を設けているので、図１の高速炉１に比べて、より多くの熱をプール６内の水３３（外側冷却材）に逃がすことができ、外側冷却材による冷却能力を向上させることができる。即ち、燃料要素３で発生した崩壊熱の大部分は燃料要素３の表面からプール６内の水３３に伝えられ、また、燃料要素３で発生した崩壊熱の一部は熱伝導および炉心冷却材３４としてのヘリウムガスを経由して崩壊熱冷却塔３６および反射体２９に伝えられ、プール６内の水３３に伝えられる。
【００９９】
また、燃料要素３の下部には反射体２９が設けられており、燃料要素３で発生する中性子を遮蔽することで、流入管３０や流出管３１等の放射化を防止している。これにより、放射性廃棄物の発生量を減らすことができる。
【０１００】
なお、図１の高速炉１では、反射体２９を、冷却水３４を加熱して水蒸気又は水蒸気／水２相流３４に変換する熱交換器として積極的に機能させていたが、図１２の高速炉１では、ヘリウムガスを加熱する熱交換器として積極的に機能させることは重要ではない。図１２の高速炉１では、反射体２９の機能として、中性子の漏れを防ぐ反射体としての機能と、特に何らかの原因によって内側冷却材の循環が停止した場合等に炉心２７の熱を水３３に逃がす機能が重要である。
【０１０１】
図１２の高速炉１では、炉心２７の冷却を主に行う内側冷却材３４はヘリウムガスであり、また、炉心２７における核分裂連鎖反応を考慮して外側冷却材が流れる隙間７の広さを決定するので、炉心２７において高速中性子による核分裂連鎖反応を維持できる。
【０１０２】
また、図１２の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様の効果を得ることができる。つまり、燃料要素３の内と外の両方から冷却を行うことができるので、金属燃料２を良好に冷却することができ冷却性能に優れている。また、燃料要素３の冷却のうち、内と外のいずれか一方が不能になったとしても、もう一方で冷却を行うことができるので、受動的な安全性に優れている。また、核分裂連鎖反応に高速中性子を利用するので、プルトニウムの増殖率を大きくすることができ、ウラン資源を有効利用できると共に、炉心２７を長寿命化することができる。また、内側冷却材としてガスを、外側冷却材として水／蒸気を使用しているので、冷却材として液体金属を使用する場合に比べて取り扱いが容易であり、原子炉の構造を簡単なものにすることができる。また、燃料要素３を水又は水／水蒸気３３中に設置しているので、外部からの冷却水の供給が不能になったとしても、原子炉容器２５内の水又は水／水蒸気３３によって炉心２７の崩壊熱を除去することができる。このため、受動的な安全性に優れている。また、冷却材に液体ナトリウムを使用していないので、安全性に優れている。
【０１０３】
即ち、図１２の高速炉１でも、図１の高速炉１と同様に、炉心冷却材３４を使用して燃料要素３を内側から冷却し、かつ、燃料要素３をプール６内の常温常圧の水３３内に入れることにより、動的な機器なしに、金属燃料２の崩壊熱を伝熱のみでプール６内の水３３に伝えることが出来るため、小型の高速炉は勿論のこと、中型、大型の高速炉でも崩壊熱の除去を受動的に達成できる。また、炉心冷却材３４に水との化学的反応性が強いナトリウムではなく、水（図１の高速炉１）又はヘリウムガス等の不活性ガス（図１２の高速炉１）を利用することで常温常圧の原子炉水プールに入れることが可能となっている。
【０１０４】
図１３に、炉心冷却材３４として不活性ガスや炭酸ガス、窒素ガス等のガスを使用した高速炉１の発電方式の概略構成を示す。炉心２７を冷却することで高温になった炉心冷却材３４はプール６の外に導かれ、発電に利用される。発電方式としては、高温になった炉心冷却材３４をガスタービン４０に導いて発電機４１を駆動して発電する方式（図１３（Ａ）：ガスタービン発電方式）、高温になった炉心冷却材３４を蒸気発生器４２に導いて蒸気を発生させて蒸気タービン４３で発電機４１を駆動して発電する方式（図１３（Ｂ）：蒸気発生器・蒸気タービン発電方式）、ガスタービン４０による発電機４１の駆動と蒸気タービン４３による発電機４１の駆動を併用する方式（図１３（Ｃ）：ガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式）が考えられる。
【０１０５】
図１４に、炉心冷却材３４として不活性ガスや炭酸ガス、窒素ガス等のガスを使用した高速炉１についての、高速炉施設２１の建築方法の一例を示す。なお、図１４について図４と同一の部材については同一の符号を付してあり、それらの説明を省略する。
【０１０６】
図１４（Ａ）は、例えば既存のＢＷＲ（沸騰型軽水炉）プラント２２である。原子炉建屋２４内に設置された原子炉格納容器２３内から原子炉容器２５やその他の設備を撤去し、高速炉１の燃料要素３を設置すると共に水３３を貯めることで、ＢＷＲプラント２２を高速炉プラント２１に改造することができる（図１４（Ｂ））。ＢＷＲプラント２２では、燃料交換の際に原子炉格納容器２３内に水を溜め原子炉容器２５を水没させるため、原子炉格納容器２３のプール６への転用は可能である。
【０１０７】
なお、高速炉プラント２１への改造に伴い、ＢＷＲプラント２２で使用していた図示しない蒸気タービンをガスタービン４０に変更してガスタービン発電方式（図１３（Ａ））にしたり、あるいはＢＷＲプラント２２で使用していた蒸気タービンをそのまま使用するときには蒸気発生器４２を新たに設置して蒸気発生器・蒸気タービン発電方式（図１３（Ｂ））にしたり、あるいはガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式（図１３（Ｃ））にする改造等も必要である。
【０１０８】
例えば、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２では、原子炉建屋２４の内部空間の直径は３８ｍ、原子炉格納容器２３の内部空間の直径は１７ｍ、原子炉容器２５の直径は９ｍである。約８０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１では炉心２７の直径が約５ｍになるので、原子炉格納容器２３内に設置することができる。即ち、３６万ＫＷｅ級のＢＷＲプラント２２を改造して、出力が２倍以上の約８０万ＫＷｅ級の高速炉プラント２１を建設することができる。
【０１０９】
図１４の例でも、図４の例と同様に、既存の原子炉施設２２を利用して最新の高速炉施設２１を建設することができるので、高速炉施設２１の建設が容易になると共に、その建設費用を安く抑えることができる。また、既存の原子炉施設２２の一部を有効活用することができるので、その分だけ廃棄物を減らすことができる。さらに、建設から年数の経った高経年軽水型原子力発電所を最新の高速炉施設２１に改造することで、高経年原子炉の保守・管理負担が解消される。
【０１１０】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、ガスタービン発電方式によって発電を行なっていたが、例えば図１３（Ｂ）に示す蒸気発生器・蒸気タービン発電方式によって発電を行なっても良く、図１３（Ｃ）に示すガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式によって発電を行なっても良い。
【０１１１】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、除去した崩壊熱を発電を行なう熱エネルギーとして利用していたが、発電以外に熱エネルギーを利用しても良い。例えば、熱エネルギーを暖房や給湯設備等に使用しても良く、その他の目的に熱エネルギーを使用しても良い。
【０１１２】
また、上述の使用済み燃料の貯蔵方法では、高速炉１で使用した燃料要素３を例に説明していたが、高速炉１で使用した燃料要素３以外の燃料要素であっても、内部に冷却管を循環させている燃料要素であれば適用可能である。
【実施例１】
【０１１３】
本発明の高速炉１の炉心２７の寿命を確認するための実験を行った。図３に示す炉心２７を設計し、その燃焼特性を計算した。炉心２７の中心から半径１．６ｍの範囲（符号２７ａで示す領域）内に設置する燃料要素３の金属燃料２は濃縮ウランとして８．５％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、その周囲（符号２７ｂで示す領域、半径１．８ｍ）のブランケット燃料は０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。また、炉心２７の高さは２ｍである。
【０１１４】
図８に燃料要素３の横断面を、図９に燃料ユニット３５の断面をそれぞれ示す。この例では、金属燃料２として、一旦溶融させたものを型に流し込んで冷却し固化させた燃料ユニット３５を使用している。１つの燃料要素容器９内には、例えば６４個（８列×８列）の燃料ユニット３５が並べられている。各燃料ユニット３５には予め冷却管１０又は制御棒や安全棒を挿入する管３２を設置した後に、溶融金属燃料を流し込んでいる。
【０１１５】
なお、炉心２７の仕様は次の通りである。
・燃料要素ピッチＰ１：１０７．２ｍｍ
・燃料要素高さ：２ｍ
・熱出力：１．４ＭＷ／燃料要素
・炉心出力：１ＧＷｅ、電気出力：３３０ＭＷｅ（効率３３％）
・燃料要素数：７１４体
・炉心半径１．６ｍ
・ブランケット（炉心の１／４体積）半径：１．８ｍ
・炉心寿命：６０年（１３０ＧＷｄ／ｔの燃焼度）
・燃料濃縮度：８．５％、ブランケット：０．２％
・燃料要素Ｕ量：０．２１５ｔ／燃料要素
・Ｕインベントリー：１５４ｔ（濃縮Ｕ）、３９ｔ（劣化Ｕ）
・炉心平均ボイド率：５０％、出口ボイド率：９０％（飽和蒸気、二相流）
【０１１６】
また、燃料要素形状は次の通りである。
・冷却管（Ｚｒ）：水／蒸気２相流、内径４ｍｍ、外径５．６６ｍｍ、肉厚０．８３ｍｍ
・燃料ユニット：Ｕ−１０％Ｚｒ、ピッチＰ２：１２．９９ｍｍ
・燃料要素８×８形
・燃料要素被覆材（燃料要素容器）：内寸法１０３．９ｍｍ、外寸法１０５．５ｍｍ、肉厚０．８２ｍｍ
・燃料要素ピッチＰ１：１０７．２ｍｍ、燃料要素間隔：１．６ｍｍ
【０１１７】
実験の結果を図１０に示す。燃焼度が２００ＧＷ・ｄ／Ｔ（ギガワット日／トン）を超えても１．００以上の反応度ｋを確保することができた。なお、一般的な軽水炉では、１．００以上の反応度ｋを確保できるのは５０ＧＷ・ｄ／Ｔ程度である。この結果からも明らかなように、本発明の高速炉１の炉心２７は長寿命であることが確認できた。
【実施例２】
【０１１８】
本発明の炉心冷却材３４としてヘリウムガスを使用した高速炉１の炉心２７の寿命を確認するための実験を行った。図３に示す炉心２７を設計し、その燃焼特性を計算した。炉心２７の中心から半径１．６ｍの範囲（符号２７ａで示す領域）内に設置する燃料要素３の金属燃料２は濃縮ウランとして１０．０％のものを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金（Ｚｒが１０％、Ｕが９０％）、その周囲（符号２７ｂで示す領域、半径２．０ｍ）のブランケット燃料は０．２％の劣化ウランを使用したＵ−１０％Ｚｒ合金である。また、炉心２７の高さは２ｍである。
【０１１９】
図１５に燃料要素３の横断面を、図１６に燃料ユニット３５の断面をそれぞれ示す。この例では、金属燃料２として、一旦溶融させたものを型に流し込んで冷却し固化させた燃料ユニット３５を使用している。１つの燃料要素容器９内には、例えば３６個（６列×６列）の燃料ユニット３５が並べられている。各燃料ユニット３５には予め冷却管１０又は制御棒や安全棒を挿入する管３２を設置した後に、溶融金属燃料を流し込んでいる。また、各燃料要素３には、例えば５本ずつ管３２が設けられている。
【０１２０】
なお、炉心２７の仕様は次の通りである。
・燃料要素高さ：２ｍ
・炉心出力：１ＧＷｅ、熱出力：３ＧＷ（効率３３％）
・熱出力：１．４ＭＷ／燃料要素
・燃料要素発生熱量：１．４４ＭＷ
・燃料要素数：２０８３体
・炉心半径２．０ｍ
・炉心重金属重量：１２１ｔ
・燃焼度：１２０ＧＷｄ／Ｔ
・ブランケット外半径：２．４ｍ（厚さ４０ｃｍ）
・炉心寿命：約１６年（燃料部分平均１２０ＧＷｄ／ｔの燃焼度）
・燃料濃縮度：１０％、ブランケット：０．２％
【０１２１】
また、燃料要素形状は次の通りである。
・冷却管（Ｈｅガス）内半径：５ｍｍ
・冷却管（ＳＵＳ）外半径：５．３７ｍｍ、肉厚：０．３７ｍｍ
・燃料ユニット：Ｕ−１０％Ｚｒ、ピッチＰ２：１３．１ｍｍ
・燃料要素６×６形
・燃料要素被覆材（燃料要素容器）：内寸法７８．３８ｍｍ、外寸法７９．６２ｍｍ、肉厚０．６７ｍｍ
・燃料要素ピッチＰ１：８０．８４ｍｍ、燃料要素間隔：２．４６（１．２３×２）ｍｍ
【０１２２】
実験の結果を図１７に示す。燃焼度が１４００００ＭＷｄ／Ｔ（メガワット日／トン）を超えても１．００以上の炉心反応度ｋを確保することができた。なお、上述の通り、一般的な軽水炉では、１．００以上の反応度ｋを確保できるのは５０ＧＷ・ｄ／Ｔ程度である。この結果からも明らかなように、本発明の高速炉１の炉心２７は長寿命であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明を適用した高速炉の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１の高速炉の燃料要素の断面図である。
【図３】図１の高速炉の炉心の概念図である。
【図４】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の実施形態の一例を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図５】金属燃料の間に金属チューブを設けた様子を示す図である。
【図６】本発明を適用した高速炉の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の他の実施形態を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図８】炉心寿命を確認するために行った第１の実験で想定した燃料要素の横断面図である。
【図９】図８の燃料要素を構成する燃料ユニットの横断面図である。
【図１０】炉心寿命を確認するために行った第１の実験の計算結果を示し、炉心の燃焼特性を示すグラフである。
【図１１】本発明を適用した使用済み燃料の貯蔵方法の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図１２】本発明を適用した高速炉の更に他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】図１２の高速炉で採用可能な発電方式を示し、（Ａ）はガスタービン発電方式の概略構成図、（Ｂ）は蒸気発生器・蒸気タービン発電方式の概略構成図、（Ｃ）はガスタービン／蒸気発生器・蒸気タービン併用発電方式の概略構成図である。
【図１４】本発明を適用した高速炉施設の建設方法の更に他の実施形態を示し、（Ａ）は改造する前の既存ＢＷＲプラントの概略構成図、（Ｂ）は改造後の高速炉プラントの概略構成図である。
【図１５】炉心寿命を確認するために行った第２の実験で想定した燃料要素の横断面図である。
【図１６】図１５の燃料要素を構成する燃料ユニットの横断面図である。
【図１７】炉心寿命を確認するために行った第２の実験の計算結果を示し、炉心の燃焼特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 高速炉
２ 金属燃料
３ 燃料要素
６ プール
９ 燃料要素容器
１０ 冷却管
２１ 高速炉施設
２２ ＢＷＲプラント（原子炉施設）
２３ 原子炉格納容器
２５ 原子炉容器
２７ 炉心
２９ 反射体（熱交換器）
３３ 水又は水と水蒸気との２相流
３４ 水蒸気又は水蒸気と水との２相流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属燃料と、前記金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、前記燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には前記金属燃料は前記冷却管の外周面及び前記燃料要素容器の内側面に接触し、前記冷却管内の前記炉心冷却材と前記燃料要素容器外の前記水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されることを特徴とする高速炉用燃料要素。
【請求項２】
前記炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流であることを特徴とする請求項１記載の高速炉用燃料要素。
【請求項３】
前記炉心冷却材は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１記載の高速炉用燃料要素。
【請求項４】
燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、前記燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には前記金属燃料は前記冷却管の外周面及び前記燃料要素容器の内側面に接触しており、前記炉心冷却材と前記水又は水と水蒸気との２相流により前記燃料要素の内と外から冷却を行うことを特徴とする高速炉。
【請求項５】
前記水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、前記燃料要素を前記プール内に設置することを特徴とする請求項４記載の高速炉。
【請求項６】
前記炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流であることを特徴とする請求項４又は５記載の高速炉。
【請求項７】
前記炉心冷却材は、不活性ガスであることを特徴とする請求項４又は５記載の高速炉。
【請求項８】
前記冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を前記燃料要素の下部に設置すると共に、前記冷却管に前記炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の前記冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にすることを特徴とする請求項６記載の高速炉。
【請求項９】
前記熱交換器は前記燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体であることを特徴とする請求項８記載の高速炉。
【請求項１０】
前記燃料要素は原子炉容器内に設置されており、前記水又は水と水蒸気との２相流は前記原子炉容器内に貯められていることを特徴とする請求項４記載の高速炉。
【請求項１１】
前記水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、前記炉心冷却材を前記冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にすることを特徴とする請求項１０記載の高速炉。
【請求項１２】
既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、前記原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、前記原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設することを特徴とする高速炉施設の建設方法。
【請求項１３】
既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、前記原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、前記既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設することを特徴とする高速炉施設の建設方法。
【請求項１４】
請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素を高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、前記冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用することを特徴とする使用済み燃料の貯蔵方法。
【請求項１５】
請求項４から１１のいずれか１つに記載された高速炉の燃料要素を当該高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、前記冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用することを特徴とする使用済み燃料の貯蔵方法。
【請求項１】
金属燃料と、前記金属燃料を収容し、水又は水と水蒸気との２相流中に設置された燃料要素容器と、前記燃料要素容器内を循環し、炉心冷却材が流れる冷却管とを備え、少なくとも運転時には前記金属燃料は前記冷却管の外周面及び前記燃料要素容器の内側面に接触し、前記冷却管内の前記炉心冷却材と前記燃料要素容器外の前記水又は水と水蒸気との２相流により内と外から冷却されることを特徴とする高速炉用燃料要素。
【請求項２】
前記炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流であることを特徴とする請求項１記載の高速炉用燃料要素。
【請求項３】
前記炉心冷却材は、不活性ガスであることを特徴とする請求項１記載の高速炉用燃料要素。
【請求項４】
燃料要素容器内に金属燃料を密封した燃料要素を水又は水と水蒸気との２相流中に設置すると共に、前記燃料要素内に炉心冷却材を循環させる冷却管を設け、少なくとも運転時には前記金属燃料は前記冷却管の外周面及び前記燃料要素容器の内側面に接触しており、前記炉心冷却材と前記水又は水と水蒸気との２相流により前記燃料要素の内と外から冷却を行うことを特徴とする高速炉。
【請求項５】
前記水又は水と水蒸気との２相流を貯めたプールを備え、前記燃料要素を前記プール内に設置することを特徴とする請求項４記載の高速炉。
【請求項６】
前記炉心冷却材は、水蒸気又は水蒸気と水との２相流であることを特徴とする請求項４又は５記載の高速炉。
【請求項７】
前記炉心冷却材は、不活性ガスであることを特徴とする請求項４又は５記載の高速炉。
【請求項８】
前記冷却管の上流端と下流端との間で熱交換を行う熱交換器を前記燃料要素の下部に設置すると共に、前記冷却管に前記炉心冷却材として冷却水を供給し、炉心冷却後の水蒸気又は水蒸気と水との２相流の熱によって炉心冷却前の前記冷却水を加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にすることを特徴とする請求項６記載の高速炉。
【請求項９】
前記熱交換器は前記燃料要素の下方への中性子の漏れを防ぐ反射体であることを特徴とする請求項８記載の高速炉。
【請求項１０】
前記燃料要素は原子炉容器内に設置されており、前記水又は水と水蒸気との２相流は前記原子炉容器内に貯められていることを特徴とする請求項４記載の高速炉。
【請求項１１】
前記水又は水と水蒸気との２相流は原子炉容器内に貯められた炉心冷却材であり、前記炉心冷却材を前記冷却管に流入させて炉心の熱で加熱し水蒸気又は水蒸気と水との２相流にすることを特徴とする請求項１０記載の高速炉。
【請求項１２】
既存の原子炉施設の原子炉格納容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、前記原子炉格納容器内に請求項５から９のいずれか１つに記載の燃料要素を設置すると共に請求項５から９のいずれか１つに記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、前記原子炉格納容器をプールに転用して請求項５から９のいずれか１つに記載の高速炉を備えた施設を建設することを特徴とする高速炉施設の建設方法。
【請求項１３】
既存の原子炉施設の原子炉容器内から当該原子炉施設の設備を撤去した後、前記原子炉容器内に請求項１０又は１１記載の燃料要素を設置すると共に請求項１０又は１１記載の水又は水と水蒸気との２相流を貯め、前記既存の原子炉施設の原子炉容器を使用して請求項１０又は１１記載の高速炉を備えた施設を建設することを特徴とする高速炉施設の建設方法。
【請求項１４】
請求項１から３のいずれか１つに記載された高速炉用燃料要素を高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、前記冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用することを特徴とする使用済み燃料の貯蔵方法。
【請求項１５】
請求項４から１１のいずれか１つに記載された高速炉の燃料要素を当該高速炉で使用した後の使用済み燃料の貯蔵方法において、前記冷却管に冷却材を循環させながら貯蔵を行ない、発生する崩壊熱を除去すると共に、除去した崩壊熱を熱エネルギーとして利用することを特徴とする使用済み燃料の貯蔵方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図６】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図６】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−３４３３２１（Ｐ２００６−３４３３２１Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０６８５７（Ｐ２００６−１０６８５７）
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年１０月９日から１３日 ＧＬＯＢＡＬ２００５技術プログラム委員会、社団法人日本原子力学会主催の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ＧＬＯＢＡＬ ２００５（ＧＬＯＢＡＬ ２００５ 国際会議）」において文書をもって発表
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月７日（２００６．４．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年１０月９日から１３日 ＧＬＯＢＡＬ２００５技術プログラム委員会、社団法人日本原子力学会主催の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ＧＬＯＢＡＬ ２００５（ＧＬＯＢＡＬ ２００５ 国際会議）」において文書をもって発表
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
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